特性爆炸納米多晶金剛石及其新的理論技術(shù)（下）①

張 凱，張路青

（大連凱峰超硬材料公司）

2.6 下面SEM圖片是“成核聚合復(fù)合爆炸技術(shù)”制作出來(lái)的經(jīng)過(guò)分級(jí)的9μm和20μm金剛石照片，參見(jiàn)（圖8～圖10）。

圖8 SEM 下圖9μm，左圖：×5000；右圖：?jiǎn)蝹€(gè)顆粒表面 ×500K；Fig.8 The amplified SEM photograph

圖9 SEM 下圖20μm，左圖：×5000；右圖：?jiǎn)蝹€(gè)顆粒表面 ×500K；Fig.9 The amplified SEM photograph

圖10 SEM 下圖9μm，左圖：×2000；SEM 下圖20μm，右圖：×1000；Fig.10 The amplified SEM photograph

2.7 分級(jí)后得到的粒度

2μm （0.7μm≤G≤2.9μm）；3μm （1.85μm≤G≤4.7μm）；

4.5μm （3.5μm≤G≤7μm）；6μm （3.85μm≤G≤9μm）；

9μm （6.83μm≤G≤13.29μm）；15μm （11.19 μm≤G≤21.14μm）；

20μm （13.67μm ≤ G ≤ 28.91μm）；25μm（18.20μm≤G≤40.81μm）；

35μm（23.03μm≤G≤55.56μm）；＞35μm；

2.8 X射線小角散射粒度分析報(bào)告

X射線小角散射測(cè)試技術(shù)與激光粒度測(cè)試不一樣，它可以測(cè)出聚晶中的晶核尺寸，表1是委托北京鋼鐵研究總院做出的小角散射測(cè)得的粒度分布。

表1 X射線小角散射測(cè)得的粒度分布Table 1 The grit distribution obtained by SAXS

2.9 成份含量檢測(cè)

委托中國(guó)地質(zhì)大學(xué)地質(zhì)過(guò)程與礦產(chǎn)資源國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室做了金剛石中各種成份含量的檢測(cè)。共檢測(cè)了50種元素：

炭含量：99.56%；

含量在10-2以下的有

SIC：0.071%；Al2O3：0.043%；Fe2O3：0.057%；MgO 0.0015%；CaO：0.0056%；Na2O＜0.001%；K2O：＜0.001%；TiO2：0.069%；P2O3：0.0006%；MnO：0.017%；

其它檢測(cè)的成份有：

在10-6以下的有

V（0.4）；Cr（0.2）；Ni（0.1）；Cu（1.3）；Zn（5.5）；Sr（0.1）；Y（0.2）；Zr（73.7）；Nb（0.5）；Mo（0.9）；Sn（37.8）；Ba（1.0）；Hf（1.9），W（0.4）；

在10-9以下的有

La（26）；Ce（73.8）；Pr（3.8）；Nd（12.8）；Sm（7.8）；Eu（0.8）；Gd（7.8）；Tb（2.3）；Dy（27.5）；

Ho（6.2）；Er（30.8）；Tm（6.2）；Yb（52.0）；Lu（11.0）；Be（1.3）；Sc（65.8）；Co（11.8）；Ga（7.8）；

Rb（6.0）；Cd（16.2）；Cs（0.6）；Ta（15.2）；Ti（0.5）；Pb（76.2）；U（33.2）；

說(shuō)明雜質(zhì)含量很少，這種金剛石作為磨料和添加劑，是極佳的材料。

3 兩相粉末中的擊波傳播機(jī)理［4］

在金剛石的爆炸合成中，粉體多半是金屬粉（鐵、銅、鈷粉等）與石墨粉的混合粉體，過(guò)去的學(xué)者們大都認(rèn)為加金屬粉的目的除了增加點(diǎn)沖擊壓力以外，主要是為了降低卸載溫度，起冷卻作用，因卸載溫度過(guò)高，金剛石將產(chǎn)生逆變。但加金屬粉后，粉體成為兩相介質(zhì)，在兩相介質(zhì)中的沖擊波壓力如何傳遞，遵循什么樣的機(jī)理，怎樣計(jì)算是比較麻煩的問(wèn)題？雖然壓力可以通過(guò)實(shí)測(cè)來(lái)獲得，但要測(cè)得≥60GPa壓力的傳感器在一般沖擊實(shí)驗(yàn)室不易做到，實(shí)測(cè)工作難以完成。因此，必須建立一個(gè)力學(xué)模型，在理論上來(lái)說(shuō)明在兩相介質(zhì)中沖擊波壓力是如何建立和傳遞的。過(guò)去有學(xué)者提出均相力學(xué)模型，即認(rèn)為兩相粉末無(wú)限細(xì)，無(wú)限均勻，可用理想均一相來(lái)代替實(shí)質(zhì)上的兩相，從而按混合比求出這均相的比容、聲速、體膨脹系數(shù)和定壓比熱，最后定出這均相混合粉的沖擊絕熱線。筆者根據(jù)多年實(shí)驗(yàn)認(rèn)為均相理論與實(shí)驗(yàn)不符，并在2012年第六屆中國(guó)金剛石相關(guān)材料及應(yīng)用學(xué)術(shù)研討會(huì)上提出了一個(gè)新的力學(xué)模型，論文“在二相粉末中的擊波傳播機(jī)理”認(rèn)定：二相粉末都是帶空隙的粉末，在平面飛片打擊裝置中，產(chǎn)生一維應(yīng)變的沖擊波陣面，帶空隙度的兩種不同粉末介質(zhì)的混合粉體在一維應(yīng)變沖擊波作用下，擊波陣面只有同一個(gè)波速值，要滿足這一條件，此時(shí)不同粉末介質(zhì)會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)占有空隙率的分配，使擊波通過(guò)具有不同空隙度的不同介質(zhì)粉體的波速達(dá)到一致。

按此理論，一維應(yīng)變波通過(guò)二相粉末時(shí)，可以是：擊波通過(guò)有各自空隙度的層次分布的二相粉末中，產(chǎn)生壓力的入、反射，而壓力的入、反射就說(shuō)明金屬粉起著“打擊板”的作用；計(jì)算一定的入、反射點(diǎn)數(shù)后，最終平衡的壓力就是擊波壓力。

4 金剛石微粉拋光液的拋光性能試驗(yàn)

委托大連理工大學(xué)現(xiàn)代制造技術(shù)研究所對(duì)拋光液進(jìn)行藍(lán)寶石基片的拋光試驗(yàn)，以評(píng)價(jià)金剛石拋光液的拋光性能。配二種粒度的拋光懸浮液：3μm（細(xì)磨粒）與6μm（粗磨粒）粒度的懸浮液。試件采用直徑為2英寸的藍(lán)寶石晶體基片（原始表面粗糙度約為Ra215nm左右）。

4.1 為了與常規(guī)研磨盤的磨削作出效率上的對(duì)比，在使用拋光液拋光前，特采用碳化硼研磨盤研磨1h后使試件的表面粗糙度值由原來(lái)的Ra215.184nm迅速降低至Ra5.205nm。

4.2 第一次拋光試驗(yàn)

先后用二種拋光液進(jìn)行拋光試驗(yàn)，采用粗磨粒拋光液（粒徑6μm）拋光時(shí)，拋光效率很高，粗拋1.0h后，表面粗糙度由Ra 215.484nm迅速下降至Ra10.864nm。在此基礎(chǔ)上，采用細(xì)磨粒拋光液（粒徑3μm）拋光時(shí)，剛開始時(shí)表面粗糙度下降較快，但后來(lái)逐漸減慢，精拋4h后表面粗糙度值達(dá)到最小，達(dá)到Ra4.070nm；繼續(xù)拋光0.5h后表面粗糙度Ra值增大，表面質(zhì)量變差，分析原因：是粗拋光時(shí)間不夠，原始表面的缺陷沒(méi)有完全去除。

表2 拋光試驗(yàn)得到的原始數(shù)據(jù)Table 2 The results of polishing test

圖11 藍(lán)寶石試件表面粗糙度隨拋光時(shí)間變化曲線Fig.11The changes of surface roughness of sapphire with the polishing time

4.3 第二次拋光試驗(yàn)

考慮到第一次試驗(yàn)中，最終拋光表面粗糙度只能達(dá)到Ra4.070nm的原因可能是因?yàn)榇謷伖鈺r(shí)間過(guò)短，原始表面的一些缺陷沒(méi)有完全去除，從而對(duì)精拋表面產(chǎn)生影響。為此，在本次拋光試驗(yàn)中，將粗拋時(shí)間由1h，延長(zhǎng)至2h。

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，粗拋過(guò)程中，試件表面粗糙度隨拋光時(shí)間變化趨勢(shì)與之前相似，說(shuō)明粗磨粒拋光液（粒徑6μm）的拋光性能比較穩(wěn)定。采用該拋光液拋光1.5h后，試件表面粗糙度達(dá)到Ra7.309nm，再粗拋0.5h后表面粗糙度變化很小，只達(dá)到Ra7.280。這說(shuō)明采用該拋光液進(jìn)行粗拋時(shí)，可達(dá)到的最小表面粗糙度值為Ra7.3nm左右。在此基礎(chǔ)上，換用細(xì)磨粒拋光液（粒徑3μm）進(jìn)行精拋，3h后，試件表面粗糙度達(dá)到Ra3.105nm，再繼續(xù)精拋時(shí)，試件表面粗糙度值在Ra3nm左右波動(dòng)，最小值為2.790nm。這說(shuō)明采用細(xì)磨粒拋光液（粒徑3μm）進(jìn)行精拋時(shí)，可達(dá)到的最小表面粗糙度為Ra3nm左右。拋光試驗(yàn)各階段藍(lán)寶石試件表面的顯微照片此處略。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

試驗(yàn)結(jié)果表明，這種多晶（聚晶）金剛石材料各向同性，無(wú)解理面，具有無(wú)與倫比的硬度和強(qiáng)度，很高的韌性，克服了靜壓法單晶金剛石材料易在解理面脆斷的缺點(diǎn)。每一顆多晶金剛石有很多磨削面，在粗磨削時(shí)，可讓微米級(jí)“聚合聚晶顆?！边M(jìn)行磨削，在精磨削時(shí)，可讓亞微米級(jí)“原生聚晶顆?！边M(jìn)行淺層磨削，在要求達(dá)到幾個(gè)埃的超精拋光時(shí)，可用納米微晶粒來(lái)拋光。因其顆粒在本質(zhì)上是由微晶粒組成的，在拋光過(guò)程中會(huì)適時(shí)因受外力而剝落，顯現(xiàn)出新的微觀團(tuán)球狀切削刃口，這種“自銳性”保征了加工的高精度、高效率和不劃傷及淺的表面損傷層。

［1]Erskine D J，Nellis W J.Shock-induced martensitic phase transformation of oriented graphite to diamond［J］.Nature，349：317-319.1991.

［2]McQueen R G，Marsh S P.Behavior of dence media under dynamic preesures.New York：Gordon &Breach：207.

［3]張凱 ，張路青.石墨通過(guò)爆炸相變?yōu)榻饎偸膭P結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變模型［C］.2011中國(guó)（鄭州）國(guó)際磨料磨具磨削技術(shù)發(fā)展論壇論，2011.11.

［4]張凱 ，張路青.在二相粉末中的擊波傳播機(jī)理［C］.第6屆中國(guó)金剛石相關(guān)材料及應(yīng)用學(xué)術(shù)研討會(huì).齊齊哈爾，2012.8.