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《燕山大学》 2018年
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纳米聚晶金刚石合成和碳纳米葱高温高压相变机理的研究

唐虎  
【摘要】:自2003年Irifune教授等报道在高温高压条件下(HPHT)合成无添加结合剂的纳米聚晶金刚石(nano-polycrystalline diamond,NPD)以来,由于其优异的机械性能受到极大的关注。NPD被认为是取代PCD(polycrystalline diamond)作为切割工具的理想材料。然而,NPD现存两个基本的问题:其一、如何降低其极端的合成条件,使得NPD能够被工业化制备;其二、如何进一步地增加NPD的性能,Huang等2014年报道了纳米孪晶金刚石(nanotwinned diamond,nt-diamond)的合成。nt-diamond表现出了极其优异的性能,兼顾了硬度、韧性和热稳定性,然而,其合成机理并不清晰。在本文中,我们从这两个问题出发对NPD合成进行了研究。本文选取通过真空退火高分散的纳米金刚石制备得到的碳纳米葱(carbon onions)作为NPD合成的前驱物。研究了退火工艺:退火温度、升温速率和保温时间对于碳纳米葱合成的影响。控制退火工艺可以得到不同结构的碳纳米葱前驱物。在退火温度为1100-1300°C,得到的碳纳米葱保留了大量的金刚石核心,升高温度到1600°C金刚石完全转变到碳纳米葱。以不同退火温度下获得的碳纳米葱作为前驱物在较低的高压范围(≤6 GPa)内进行高温高压合成NPD。由于含有大量的金刚石核心,以1100-1300°C退火得到的碳纳米葱作为前驱物在4-6 GPa,1000-1300°C能够合成具有一定强度的NPD块体。其中以1150°C退火得到的碳纳米葱,在6 GPa、1250°C得到的NPD表现出最高的维氏硬度,平均为50 GPa。利用多级增压装置将合成压力升高到10 GPa,以1300°C退火得到的碳纳米葱作为前驱物在1800°C制得高纯、致密的NPD,获得的NPD表现出极高的维氏硬度,达到了147±17GPa。在此条件下大尺寸(10 mm)的NPD被获得,其硬度超过100 GPa,断裂韧性为~17 MPa m~(1/2)。其制备条件要远低于利用石墨作为前驱物制备NPD的合成条件(≥15 GPa,2300°C),特别是压力从15 GPa下降到了10 GPa。作为前驱物的碳纳米葱中存在的金刚石核心被认为是大幅度降低NPD合成条件的关键。1500°C,保温30 min退火得到的碳纳米葱缺陷较少、结构完整,仅含有极少的金刚石。以此作为前驱物研究了碳纳米葱在高温高压下的相变行为,揭示了碳纳米葱向纳米孪晶金刚石的转变机理。没有高浓度堆垛层错和金刚石核心,碳纳米葱在10 GPa、1800°C转变到石墨。升高压力到15 GPa以上,碳纳米葱全部转变为金刚石,但是纳米孪晶金刚石仅在25 GPa的压力下才被合成。在25 GPa、1800°C合成的NPD由于含有的高密度纳米孪晶而表现出极高的维氏硬度(~215 GPa)。我们的实验结果直接证实了碳纳米葱向金刚石的转变是非扩散转变(马氏体过程),而{111}孪晶和堆垛层错的形成是由碳纳米葱特殊的镶嵌结构对相变过程的影响所导致。
【学位授予单位】:燕山大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TB383.1;TQ163

【参考文献】
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