中國粉體網(wǎng)訊 聚晶金剛石（PCD）不僅具有接近金剛石單晶的硬度、耐磨性，更具有優(yōu)于單晶的各向異性及與硬質(zhì)合金相當(dāng)?shù)目箾_擊性，因此，被廣泛應(yīng)用于石油天然氣開采、煤炭地質(zhì)勘探、機械加工等領(lǐng)域中。
(圖片來源：南京現(xiàn)代金剛石制品有限公司)
聚晶金剛石的起源
自天然單晶金剛石被發(fā)現(xiàn)以來，另一種金剛石“卡博納多”（黑金剛石）也相繼被發(fā)現(xiàn)，這種金剛石在自然界很稀少。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)這是一種由大量金剛石單晶顆粒與微量雜質(zhì)組成的塊狀多晶體。無序排列的金剛石微粒使其具有無解理面的特性，進(jìn)而硬度、強度和耐磨性三種屬性都要優(yōu)于傳統(tǒng)單晶金剛石。
人類對聚晶金剛石的制造靈感正是源于對其結(jié)構(gòu)的認(rèn)知。
前蘇聯(lián)與美國的科學(xué)家在1961-1970年期間投入大量精力進(jìn)行人工聚晶金剛石的合成實驗，并取得了一些成果。1964年GE公司首次以“某些金屬添加劑能使金剛石與金剛石之間產(chǎn)生直接結(jié)合”申請了美國專利。歷史上第一款實用型聚晶金剛石片由GE公司于1971年發(fā)明。PCD于1972-1973年間被進(jìn)一步推廣，主要制成刀具用于機械加工。隨后性能更高的聚晶金剛石鉆頭產(chǎn)品于1976年推出面向鉆探領(lǐng)域。
合成方法
1、爆炸法合成
在耐高壓的容器中，利用爆炸產(chǎn)生的高溫及動能推動金屬片高速撞擊石墨片后產(chǎn)生瞬間的高溫高壓環(huán)境，使石墨轉(zhuǎn)化為微粉狀態(tài)的聚晶金剛石。此方法合成的聚合物內(nèi)部會存在石墨殘留且無法合成規(guī)則的大尺寸聚晶，只能用于對品質(zhì)要求不高的磨料級聚晶金剛石的制備。
2、低壓氣相沉積法
此方法核心原理是在低于1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（1.01×105Pa）的環(huán)境中把含有碳元素的氣態(tài)原材料導(dǎo)入反應(yīng)室內(nèi)，在此條件下經(jīng)過一系列復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)過程，最終使氣態(tài)原材料中的碳原子以金剛石相沉積在某種基底的表面，形成一層膜狀聚晶金剛石，這種方法就是低壓化學(xué)氣相沉積法。使用CVD制備的聚晶金剛石膜因無需過度族金屬的參與，熱穩(wěn)定性較高，同時可摻雜其他元素制備半導(dǎo)體材料，因而常應(yīng)用于電子及光學(xué)領(lǐng)域。但目前存在的問題是合成周期長，產(chǎn)能較低等。
3、直接轉(zhuǎn)化法
此方法是將高純石墨微粉在超高壓超高溫（2000℃、13GPa以上）條件下直接轉(zhuǎn)化為聚晶金剛石，這種方法可以合成出高純金剛石，性能指標(biāo)接近天然金剛石。但此方法對合成設(shè)備的要求極高，條件苛刻，產(chǎn)能低，成本高，現(xiàn)階段無法實現(xiàn)工業(yè)化量產(chǎn)，只能停留在實驗階段。
4、高壓高溫溶劑法
此方法是在恒定的高壓高溫（5-7GPa，1300~1700℃）條件下在過渡金屬或合金觸媒的作用下，使金剛石微粉、石墨粉等原材料轉(zhuǎn)變成為金剛石聚晶復(fù)合物。此方法的優(yōu)點是合成周期短，對所使用的合成設(shè)備性能指標(biāo)要求不高，間接起到節(jié)約成本的作用，非常適合工業(yè)生產(chǎn)的推廣。但目前我國生產(chǎn)的聚晶金剛石與國外同類產(chǎn)品相比，在力學(xué)和電學(xué)等方面的性能依然存在一定的差距。
特性及應(yīng)用
聚晶金剛石屬于多晶體，具有多晶體的共性。由于晶粒在內(nèi)部環(huán)境的排列是無規(guī)則的，因而具有內(nèi)部長程無序，但短程有序的特點，使其各個方向理化性質(zhì)無變化。因其無解理面的特性，相較于金剛石大單晶，它更耐沖擊，應(yīng)用時限制少，應(yīng)用范圍更為廣泛。
聚晶金剛石的合成成本比天然和人造大單晶低，同時可根據(jù)需要制成不同的形狀，兼具高硬度和高強度的特點，是工業(yè)應(yīng)用的理想材質(zhì)，現(xiàn)在金剛石在工業(yè)、科技、國防等領(lǐng)域都有所應(yīng)用。但目前聚晶金剛石主要還是以工業(yè)化應(yīng)用為主。
參考來源：
[1]陳東亮.聚晶金剛石的制備與性能研究
[2]邵華麗等.聚晶金剛石的熱穩(wěn)定性研究進(jìn)展
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