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金刚石复合片合成工艺与性能研究

一、引言

（一）研究背景

在现代工业领域，材料的性能对于生产效率、产品质量以及设备的使用寿命起着至关重要的作用。金刚石复合片作为一种集高硬度、高耐磨性与抗冲击性于一体的超硬材料，自问世以来便在众多行业中展现出独特的优势和广泛的应用前景。

其卓越的硬度和耐磨性，使其成为石油钻探领域中不可或缺的关键材料。在石油开采过程中，钻头需要在极其恶劣的地质条件下工作，面对各种坚硬的岩石层。金刚石复合片能够有效地切削岩石，提高钻探效率，减少钻头的磨损和更换次数，从而降低开采成本。在机械加工领域，对于一些高精度、高硬度材料的加工，传统刀具往往难以满足要求，而金刚石复合片刀具则能够轻松应对，实现高精度、高效率的加工，提升产品的精度和表面质量。此外，在地质勘探中，金刚石复合片也被广泛应用于各类勘探工具，帮助地质工作者更准确地获取地下地质信息。

随着工业的快速发展，各行业对高精度、高效率加工的需求日益增长。在航空航天领域，对于零部件的加工精度和表面质量要求极高，金刚石复合片刀具能够满足这些严格的要求，为航空航天零部件的制造提供了有力支持。在电子制造领域，随着电子产品的小型化和集成化发展，对微小零部件的加工精度要求越来越高，金刚石复合片的高精度加工能力使其在该领域具有广阔的应用空间。然而，目前金刚石复合片的性能仍存在一定的局限性，在一些极端工况下，其抗冲击性和稳定性有待提高。同时，合成工艺的复杂性和高昂成本也限制了其大规模应用和进一步发展。因此，优化合成工艺以制备高性能金刚石复合片成为当前行业关注的核心课题，对于推动工业领域的发展具有重要意义。

（二）研究意义

深入研究金刚石复合片的合成工艺与性能之间的内在关联，具有多方面的重要意义。从理论层面来看，目前关于金刚石复合片合成过程中的微观结构演变、元素扩散机制以及界面结合机理等方面的研究仍存在一些空白和不确定性。通过本研究，可以进一步揭示这些复杂的物理化学过程，为超硬材料的合成理论提供更丰富的实验数据和理论支持，完善超硬材料科学的理论体系。

在实际应用中，对于工业化生产而言，明确合成工艺参数与复合片性能的关系，能够为生产企业提供精准的理论指导。企业可以根据不同的应用需求，精确调整合成工艺参数，制备出具有特定性能的金刚石复合片，提高产品质量的稳定性和一致性，减少废品率，降低生产成本，增强企业在市场中的竞争力。通过优化合成工艺，提高复合片的致密性，减少内部孔隙和缺陷，能够提升其硬度和耐磨性；增强结合强度，改善金刚石层与硬质合金基体之间的结合状态，可有效提高复合片的抗冲击性，使其在复杂工况下能够稳定工作，延长使用寿命，降低设备的维护和更换成本，提高生产效率。

随着我国高端装备制造等战略性新兴产业的快速发展，对高性能超硬材料的需求日益迫切。金刚石复合片作为超硬材料的重要代表，其性能的提升对于推动我国高端装备制造产业的发展具有关键作用。在高端机床制造中，高性能的金刚石复合片刀具能够实现对难加工材料的高精度加工，提高机床的加工能力和效率，促进我国机床产业向高端化迈进。在半导体制造领域，金刚石复合片可用于芯片切割等关键工艺，其性能的优劣直接影响芯片的制造质量和生产效率。因此，本研究对于提升我国超硬材料技术在高端装备制造中的应用水平，突破国外技术封锁，实现关键材料的自主可控，具有重要的战略意义。

二、金刚石复合片合成工艺解析

（一）原料预处理工艺

原料预处理工艺是金刚石复合片合成的基础环节，对后续烧结过程和最终产品性能有着深远影响。在这一工艺中，金刚石微粉表面改性技术和硬质合金基体预处理技术是关键。

金刚石微粉作为形成金刚石复合片聚晶金刚石层的核心原料，其表面性质对烧结过程的影响举足轻重。传统的金刚石微粉表面较为光滑，颗粒间摩擦力较大，在高压烧结过程中难以实现紧密堆积，这会影响聚晶金刚石层的致密度和硬度。采用少层氧化石墨烯溶液均匀包覆金刚石微粉，经氢气还原形成石墨烯核壳结构（如石化机械专利技术），能有效解决这一问题。氧化石墨烯具有良好的柔韧性和高比表面积，能够均匀地包裹在金刚石微粉表面。在氢气还原过程中，氧化石墨烯被还原为石墨烯，形成紧密包裹金刚石微粉的核壳结构。这种结构不仅降低了微粉间的摩擦，使得金刚石微粉在高压下能够更紧密地堆积，提高了聚晶金刚石层的致密度，还改善了金刚石微粉与金属触媒之间的界面润湿性。在后续烧结过程中，金属触媒能够更顺利地迁移，促进金刚石颗粒间D-D键（金刚石-金刚石共价键）的形成，从而提升聚晶金刚石层的硬度和耐磨性。

硬质合金基体作为支撑金刚石层的基础，其表面状态直接影响着金刚石层与基体之间的结合强度。WC-Co基体在加工和储存过程中，表面会吸附各种杂质，如油污、灰尘等，这些杂质会阻碍金刚石层与基体的结合。因此，需要对WC-Co基体进行表面清洁处理