СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СВЕРХТВЕРДОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА
METHOD OF OBTAINING SUPER-HARD COMPOSITE MATERIAL

Изобретение относится к получению сверхтвердого композиционного материала, а именно к способу получения сверхтвердых композиционных материалов на основе углерода для изготовления материалов, которые могут быть использованы в инструментах для горнодобывающей, камнеобрабатывающей и металлообрабатывающей промышленности.
Известен патент (РФ №2 127 225; МПК С01В 31/06, приоритет от 11.10.1996 г.) /Сверхтвердый углеродный материал, способ его получения и изделие, выполненное из углеродного материала»/.
В качестве исходного углеродного материала используют новую аллотропную форму углерода - фуллерен С-60. На фуллерен С-60 воздействуют квазигидростатическим давлением 7.5-37 ГПа и температурой, выбранной в интервале 20-1830°С с выдержкой не менее одной секунды, в аппаратах высокого давления: типа «тороид», типа наковален Бриджмена и др. При воздействии на исходный фуллерен давления и температуры происходит полимеризация молекул или фрагментов молекул фуллерена. В зависимости от используемых аппаратов получают продукт в виде пленок (в наковальнях Бриджмена, давление до 37 ГПа) или в виде объемных образцов, используя другие виды аппаратов (давление 7,5-13 ГПа). Компактные образцы материала имеют высокие механические и электрофизические свойства. Например, индентерами из полимеризованного фуллерена можно наносить царапины на гранях монокристаллов алмаза. При этом по данным рентгеновского анализа, структура полученного целевого продукта отличается от структуры алмаза и зависит от параметров при термобарической обработке исходного материала. Способ позволяет из исходного фуллерена формовать изделия, имеющие заданную форму.
3
-6
-2
-1
-1
Приведены следующие наиболее высокие характеристики некоторых структурных типов полимеризованных фуллеренов: жесткость сверхтвердого углеродного материала на 20% превышает жесткость алмаза, плотность 2,1-3,5 г/см, твердость 50-170 ГПа и выше, электропроводность 10-10 Ом·см, термостойкость до 1000°С. Материал не растворим в органических растворителях и неорганических кислотах.
L
60
70
Установлено, что скорость ультразвука (C=26 км/с) в образцах ультратвердых модификаций фуллерена С и С превышает скорость звука в алмазах. Материал имеет также высокие упругие модули. При этом модификации полимеризованного фуллерена имеют отличную от алмаза кристаллическую или аморфную структуру, образование которой зависит от давления и температуры при синтезе / Журнал экспериментальной и теоретической физики, (1998) Т.114, вып.4 (10), стр.1365-1374 /. Наряду с высокими механическими свойствами полимеризованный фуллерен имеет очень низкую теплопроводность ~ 3 Вт/м*К, что значительно ниже теплопроводности других сверхтвердых материалов. Недостатком способа является низкая теплопроводность полимеризованного фуллерена, что затрудняет его использование для изготовления инструментов, предназначенных для металлообработки, камнеобработки и буровой техники. Предложен способ получения износостойкого материала, содержащего сверхтвердые частицы фуллерена С-60 в матрице на основе железа(Патент РФ №2123473, с приоритетом от 07.05.1998 г., МПК С01В 31/06, С22С 26/00). «Способ получения сверхтвердых углеродных частиц и износостойкий материал, объемносодержащий эти частицы».
Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению сверхтвердых углеродных частиц в объеме железоуглеродистых сплавов, используемых для изделий, работающих в условиях износа. Способ позволяет получать сверхтвердые углеродные частицы до 0,5 мм и заключается в прессовании смеси порошков железа и фуллеритов, синтезе сверхтвердых углеродных частиц при высоких давлениях и температурах и последующем извлечением этих частиц. Изостатическое прессование проводят при низком давлении 2,5-4,5 ГПа и температурах 1000-1200°С. Износостойкий материал содержит железо или углеродистую сталь и сверхтвердые углеродные частицы размером до 0,5 мм в количестве до 20%. Технический результат изобретения заключается в увеличении размера и количества сверхтвердых частиц в объеме железоуглеродистых сплавов и в получении материала, износостойкость которого превосходит износостойкость известных сплавов Х12М и сателлита.
Недостатком является ограниченное применение материала в инструментах, предназначенных для породоразрушающих работ, поскольку концентрация углеродных частиц в металлической матрице является низкой и их твердость (~ 30 ГПа) значительно уступает алмазу и другим сверхтвердым материалам.
Известен «Фуллереновый композит» (патент США №5648056, С01В 31/02, 15.07.1997 г.). Фуллереновый композит включает матрицу, сформированную из ультрадисперсного фуллерена, например фуллерена С-60, имеющего диаметры от 5 до 50 nm и армирующий элемент, образующих смесь, состоящую из нанотрубок, углеродных нанокапсул и неизбежных неопределенных углеродных примесей, внедренных в матрицу. Количество армирующего элемента, внедренного в матрицу и находящегося в интервале от 15 до 45 вес.% относительно матрицы. Благодаря использованию армирующего элемента, который содержит углеродные нанотрубки и углеродные нанокапсулы, изготовленные фуллереновые композиты дают возможность достигнуть улучшенной механической прочности и сопротивления деформации.
Материал имеет высокий предел прочности на разрыв (15 МПа), однако другие механические свойства являются недостаточными для создания эффективных инструментов для использования при обработке камня и твердых сплавов.
3
3
Наиболее близким техническим решением является «Спеченные углеродные материалы на основе фуллерена» (патент США №6 783 745, С01В 31/02, 31.08.2004 г.). Заявлен новый класс углеродных материалов на основе фуллерена и метод их синтеза. В том числе, твердый материал, имеющий плотность выше, чем 2.3 г/см и твердость от 1.0 до 50 ГПа, сформированный в процессе, включающем: 1) подготовку порошка углерода на основе фуллерена, содержащего по крайней мере 99,9% одностенных нанотрубок; 2) компактирование указанного порошка до плотности выше 1.4 г/см; 3) воздействие на указанный порошок давления от 1 до 10 ГПа и температуры от 300-1000°С в течение периода времени от 1 до 10000 секунд.
Заявлены также варианты процесса, позволяющие формировать спеченный проводящий углеродный материал высокой плотности (выше 1.4 г/см), имеющий твердость от 1 ГПа до 50 ГПа, включающий подготовку углеродного порошка, содержащего, по крайней мере, 99,9% «buckyballs» или, по крайней мере, 99% фуллеренов, а также включающий другие технологические операции, чтобы превратить углеродный материал в поликристаллический или монокристаллический алмаз.
4
Метод позволяет также изготавливать керамические композитные материалы. Материалы могут быть получены в результате следующих операций: на первом этапе пористые композитные губки «sponges» из графита, алмаза, В, С, ВС, SiC, TiC, WC/Co, Cu, Ti, Fe, Be, W и других керамических материалов и/или металлов были приготовлены стандартными методами и насыщены углеродной сажей при давлении 1 ГПа и температуре 300°С, затем образцы охлаждают, после этого давление повышают до 2.5 ГПа и температуры 400°С и выдерживают в течение 1000 секунд. После термобарической обработки получают композиционный материал, превосходящий по твердости карбид кремния (30 ГПа).
Способ получения керамического композиционного материала в соответствии с прототипом является многостадийным и сложным в исполнении. Керамический композиционный материал с твердостью около 30 ГПа не соответствует требованиям, предъявляемым к материалам для изготовления инструментов, пригодных для работы в экстремальных условиях.
Задачей предлагаемого технического решения является устранение указанных недостатков и получение материала с высокой микротвердостыо, высокими упругими модулями и одновременно более высокой теплопроводностью по сравнению с теплопроводностью исходного фуллерена (~2 Вт/м*К) или полимеризованного фуллерена (~3 Вт/м*К).
Поставленную задачу решают следующим образом:
Составляют исходную композицию, состоящую из углерода с содержанием фуллерена и добавки, причем в качестве углерода берут фуллерен С-60 или С-70, а добавку берут, состоящую из теплопроводящих компонентов, выбранных из ряда: вюртцитный нитрид бора, кубический нитрид бора, алмаз или их смеси и связующих компонентов, выбранных из ряда элементов IVa группы Периодической системы элементов или их сплава с медью затем на композицию воздействуют статическим давлением от 8 до 13 ГПа, нагрев осуществляют в пределах от 900-2000°C в течение не менее 20 секунд, причем компоненты берут в соотношении, масс.%:
фуллерены С-60 или С-70
30-50
теплопроводящий компонент
10-60
связующая добавка
остальное
При этом теплопроводящий компонент предварительно покрывают связующей добавкой, в результате получают композиционный материал с высокой теплопроводностью, микротвердостью, высокими упругими модулями и высокой износостойкостью.
Диапазоны по давлению и по температуре выбраны экспериментально. Выход за нижние пределы указанных диапазонов не позволяет получать качественные образцы материала, выход за верхние границы диапазона не улучшает свойства материала, но снижает ресурс технологических аппаратов. Выдержки на режиме в течение 20-120 секунд являются оптимальными для получения целевого продукта. Соотношение компонентов установлено экспериментально.
Способ подтверждается следующими примерами.
Пример 1. Приготовили смесь порошков, содержащую фуллерен С-60 (масс.% 40), вюртцитный нитрид бора (масс.% 15), алмаз АСМ40/28 (масс.% 35), титан (масс.% 10). Смесь массой 1 карат поместили в аппарат высокого давления типа «наковальни с лунками», создали давление 12,5 ГПа, нагрели до температуры 1500°С, выдержали в течение 60 секунд, охладили до комнатной температуры, снизили давление до атмосферного и извлекли компактный образец из аппарата высокого давления.
р
р
v
На приборе Durascan 20 определили микротвердость образца по Виккерсу 70-120 ГПа (среднее значение 95 ГПа). Для определения модулей упругости измерили скорости продольных и сдвиговых волн с помощью лазерно-ультразвукового дефектоскопа УДЛ-2М, плотность образца определили гидростатическим методом. Используя экспериментальные данные, рассчитали модуль упругости: E=815 ГПа. Для расчета теплопроводности (К) выполнили необходимые экспериментальные измерения температуропроводности (α), удельной теплоемкости (с) и плотности (ρ). Расчет теплопроводности провели по формуле: λ=α·с·ρ. λ=318 Вт/м·К. Отношение микротвердости (H) к модулю упругости (Е) равно 0.117, что указывает на высокую износостойкость композиционного материала.
v
v
Пример 2. Приготовили смесь порошков, содержащую фуллерен С-60 (масс.% 30), кубический нитрид бора (масс.% 20), алмаз АС 200/160 (масс.% 25), алмаз детонационного синтеза типа ДАЛАН (масс.% 15), сплав Zr-Cu (масс.10%)). Смесь массой 1,5 карат поместили в аппарат высокого давления типа «наковальни с лунками», создали давление 8,5 ГПа, нагрели до температуры 1350°С, выдержали в течение 90 секунд, охладили до комнатной температуры, снизили давление до атмосферного и извлекли компактный образец из аппарата высокого давления. Экспериментальные измерения выполнили как в примере 1. Микротвердость 63-125 ГПа (среднее значение H=94 ГПа); модуль упругости Е=787 ГПа, отношение H / Е=0,119; λ=335 Вт/м·К.
v
v
Пример 3. Приготовили смесь порошков, содержащую фуллерен С-70 (масс.% 50), алмаз АС 200/160, покрытый пленкой сплава Ti-Cu (мас.% 40), алмаз АСМ 10/7 (масс.% 10),. Смесь массой 1 карат поместили в аппарат высокого давления типа «наковальни с лунками», создали давление 13 ГПа, нагрели до температуры 1580°С, выдержали в течение 35 секунд, охладили до комнатной температуры, снизили давление до атмосферного и извлекли компактный образец из аппарата высокого давления. Экспериментальные измерения выполнили как в примере 1, 2. Микротвердость 74-130 ГПа (среднее значение H=102 ГПа); модуль упругости Е=842 ГПа, отношение H / Е=0,121; λ=296 Вт/м·К.
Таким образом, благодаря выбору исходных материалов, включая фуллерен С-60 и С-70, и последующему воздействию на них высокого давления и температуры получен композиционный материал с высокой теплопроводностью, микротвердостью, упругими модулями и высокой износостойкостью. Теплопроводность композиционного материала, содержащего полимеризованный сверхтвердый фуллерен, увеличилась с 3 Вт/м·К (полимеризованный сверхтвердый фуллерен) до 336 Вт/м·К (композиционный материал) при сохранении высоких механических характеристик. Наличие в изготовленном композиционном материале сверхтвердых модификаций нитрида бора может расширить область использования композита, например, в инструментах для обработки материалов, содержащих элементы VIII группы Периодической системы элементов.