金剛石材料簡(jiǎn)介

金剛石是晶態(tài)單質(zhì)碳(圖1.2),是面心立方結構的原子晶體,晶格常數為0.35 nm。 目前發(fā)現的超硬材料(金剛石,立方氮化硼)和類(lèi)超硬材料它們在晶格結構方 面都極為相似,立方氮化硼和在自然界中本身并不存在,而是人們通過(guò)仿照金剛石的結構合成出來(lái)的(立方氮化硼已人工合成,有學(xué)者稱(chēng)已合成,但還沒(méi)有得到社會(huì )承認。也就是說(shuō),這種結構決定了金剛石的優(yōu)異的物理化學(xué)特性。金剛石的晶體結構如圖1.3所示。在金剛石的晶體結構中,碳原子在四面體的頂角及中心位置, 稱(chēng)性極強。此種晶體中的C-C共價(jià)鍵很強,并且沒(méi)有自由電子,所以金剛石不硬 度大,館點(diǎn)極高,而且不導電。金剛石與其他材料的主要力學(xué)性能對比如圖1.4所示, 可以看到金剛石總體性能上要遠優(yōu)于其它材料。這種品體結構使得質(zhì)量單晶金剛石晶形 都比較規整,常見(jiàn)品形有立方體、四面體、六八面體、八面體菱形和十二面體等。金剛 石材料可分為單晶金剛石和多晶金剛石兩種,其中單品金剛石以其完美的晶格使得各方 面性能都優(yōu)于多晶金剛石。

　　圖1.2單晶金剛石晶體

　　圖1.3金剛石的晶體結構

　　圖1.4金剛石與其他材料的主要力學(xué)性能

　　金剛石材料基本概念：金剛石就是我們常說(shuō)的鉆石(鉆石是它的俗稱(chēng))，它是一種由純 碳組成的礦物。金剛石的化學(xué)式 NC----N個(gè)C,金剛石是原子晶體,一塊金剛 石是一個(gè)巨分子,N個(gè)C的聚合體.只能用它的結構式表示.表示材料：天然單晶金剛石，人造單晶金剛石，人造聚金剛石，CVD金剛石膜

　　1、 天然單晶金剛石

　　天然單晶金剛石是一種各向異性的單晶體。硬度達HV9000-10000，是自 然界中硬的物質(zhì)。這種材料耐磨性極好，制成工具在切削中可長(cháng)時(shí)間保持尺 寸的穩定，故而有很長(cháng)的工具壽命。 天然金剛石工具刃口可以加工到極其鋒利?？捎糜谥谱餮劭坪蜕窠?jīng)外科手術(shù)刀;可用于加工透明眼鏡的曲面;可用于 金剛石手術(shù)刀切割光導玻璃纖維;用于加工黃金、白金首飾的花紋;重要的用途在于高速超精加工有色金屬及其合金。如鋁、黃金、巴氏合金、鈹銅、紫銅等。 用天然金剛石制作的超精加工工具其刀尖圓弧部分在400倍顯微鏡下觀(guān)察無(wú)缺陷，用于加工鋁合金多面體反射鏡、無(wú)氧銅激光反射鏡、陀螺儀、錄像機磁鼓等。表現粗糙度可達到Ra(0.01-0.025)μm。天然金剛石材料韌性很差，抗彎強度很低，為(0.2-0.5)Gpa。熱穩定性差，溫度達到 700℃-800℃時(shí)就會(huì )失去硬度。溫度再高就會(huì )碳化。另外，它與鐵的親和力很強，一般不適于加工鋼鐵。

　　2、 人造單晶金剛石

　　人造單晶金剛石作為工具材料，市場(chǎng)上能買(mǎi)到的目前有戴比爾斯(DE-BEERS)生產(chǎn)的工業(yè)級單晶金剛石材料。這種材料硬度略遜于天然金剛石。其它性能都與天然金剛石不相上下。由于經(jīng)過(guò)人工制造，其解理方向和尺寸變得可控和統一。 人造單晶金剛石工具隨著(zhù)高溫壓力技術(shù)的發(fā)展，人造單晶金剛石比較大尺寸已經(jīng)可以做到8mm。由于這種材料有相對較好的一致性和較低的價(jià)格，所以受到泛用的注意。作為替代天然金剛石的新材料，人造單晶金剛石的應用將會(huì )有大的發(fā)展。

　　3、 人造聚晶金剛石

　　人造聚晶金剛石(PCD)是在高溫壓力下將金剛石微粉加溶劑聚合而成的多晶體材 料。一般情況下制成以硬質(zhì)合金為基體的整體圓形片，稱(chēng)為聚晶金剛石復合片。根據 金剛石基體的厚度不同，復合片有1.6mm、 3.2mm、4.8mm等不同規格。而聚晶金 Pcd金剛石工具剛石的厚度一般在0.5mm左右。目前，國內生產(chǎn)的PCD直徑已經(jīng)達到19mm，而國外如GE公司比較大的復合片直徑已經(jīng)做到58mm，戴比爾斯公司更達到了74mm。據制作工具的需要可用激光或線(xiàn)切割切成不同尺寸和角度的刀頭，制成車(chē)刀、鏜刀、銑刀等。PCD的硬度比天然金剛石低 (HV6000左右)，但抗彎強度比天然金剛石高很多。另外，通過(guò)調整金剛石微粉的粒度和濃度，使PCD制品的機械物理性能發(fā)生改變，以適應不同材質(zhì)、不同加工環(huán)境的需要，為工具用戶(hù)提供了多種選擇。PCD工具比天然金剛石的的抗沖擊和抗震性能高出很多。與硬質(zhì)合金相比，硬度高出3-4倍;耐磨性和壽命高 50-100倍;切削速度可提高5-20倍;粗糙度可達到Ra0.05μm。切削效率高、加工精度穩定。PCD同天然金剛石一樣，不適合加工鋼和鑄鐵。這種工具主要用于加工有色金屬及非金屬材料，如：鋁、銅、鋅、金、銀、鉑及其合金，還有陶瓷、碳纖維、橡膠、塑料等。PCD的另一大功能是加工木材和石材。 PCD工具特別適合加工高硅鋁合金，因此在汽車(chē)、航空、電子、船舶工業(yè)中得到了泛用的應用。

　　4、 CVD金剛石膜

　　CVD金剛石厚膜是一種化學(xué)氣相沉積法制成的金剛石材料。作為工具材料其硬度高 于PCD。由于不含金屬結合劑，所以有很高的熱傳導率和抗高溫氧化性能。但是，目前 生產(chǎn)的CVD材料韌性比較差，它不能用線(xiàn)切割的方式進(jìn)行切割加工，使用上受到了一定 CVD金剛石膜工具

　　的限制。由于沒(méi)有切磨的方向性，磨加工的工藝性較差，極難磨出象天然金剛石和人造單晶金剛石一樣鋒利的刃口。作為切削工具使用尚處于試驗階段，有待進(jìn)一步研究和開(kāi)發(fā)。