一种多晶SiC—金刚石双层复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种多晶SiC—金刚石双层复合材料及其制备方法，属于无机非金属材料领域。
技术背景
碳化硅（α-SiC）陶瓷的耐化学腐蚀性好、耐磨性能好、密度低、摩擦系数小且耐高温，是一类重要的陶瓷材料；碳化硅主要有四大应用领域：1.磨料和切割工具：由于碳化硅的耐用性和低成本，在现代工业加工中作为常用磨料使用；2.结构材料：碳化硅有潜力作为结构材料代替镍高温合金制造涡轮机叶片或喷嘴叶片；3.天文学:碳化硅可作为天文望远镜的镜面材料使用；4.催化剂载体:碳化硅本身的抗氧化性质使其可作为非均相催化剂的载体；碳化硅产量大、生产成本低，但多晶碳化硅块材作为结构材料使用时的断裂韧性低，一定程度上限制了碳化硅作为结构材料的应用。
金刚石是自然界中已知最硬的物质，具有极高的耐磨性、抗压强度、散热速率，是目前工业中应用广泛的超硬材料；金刚石单晶价格昂贵且具有解离面，工业中很多领域使用性价比更高的多晶金刚石材料来代替金刚石单晶；传统的人造金刚石多晶烧结体是经人造金刚石粉末与Co、Ni 等金属粉末均匀混合后，在高压高温下烧结而成的一种复合多晶超硬材料，它在宏观上表现出各向同性和较高的硬度及韧性，在某些方面的应用性能优于单晶，被广泛应用于非铁金属、不含铁合金以及陶瓷材料的切削加工，石油天然气及矿业勘采，木质地板加工等领域，但是用于制备多晶金刚石的金刚石粉末价格昂贵，在一定程度上限制了多晶金刚石的大规模应用。
复合材料是运用先进的材料制备技术，将不同性质的材料组分优化组合而成的新材料，复合材料具有两种或两种以上化学、物理性质不同的材料组分，各组分之间存在明显的界面；复合材料具有结构可设计性，可进行复合结构设计；复合材料不仅保持各组分材料性能的优点，而且通过各组分性能的互补和关联可以获得单一组成材料所不能达到的综合性能；若将多晶SiC与多晶金刚石复合在一起得到多晶SiC—金刚石双层复合材料，不仅能够具备金刚石高硬度高断裂韧性的特点，又可兼具SiC耐磨性好、密度低、成本低的优点，但是，目前并未出现制备多晶SiC—金刚石双层复合材料的报道。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺陷，提供一种利用SiC粉末或多晶块体、金刚石粉末为原料，在高温高压条件下制备多晶SiC—金刚石双层复合材料的方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是，一种多晶SiC—金刚石双层复合材料的制备方法，具体包括如下步骤
a、原料处理：用无水乙醇分别处理晶粒尺寸为3 nm-500 μm的金刚石粉末和晶粒尺寸为3 nm-500 μm的SiC粉末或多晶块体，废液倒出后，在100-120 ℃条件下进行烘干；干燥后的金刚石粉末和SiC粉末或多晶块体中分别加适量的去离子水，分别进行预压成型，把成型样品放入真空干燥箱中真空干燥；
b、装配烧结单元：将预压成型的原料用金属包裹体进行包裹，避免样品在高温高压下污染；将带有金属包裹体的原料装入高压烧结单元中，将组装好的高压烧结单元放入干燥箱中恒温干燥备用；
c、高温高压烧结：将高压烧结单元放入高压设备的合成腔体中，然后开始升压，达到设定压力后，升温加热，保温一段时间；保温结束后，停止加热，保压一段时间后再开始缓慢降压；
d、样品处理：取出合成腔体内的样品，去除样品外面包裹的金属包裹体，对内部样品进行打磨、抛光以及酸洗后，得到多晶SiC—金刚石双层复合材料。
优选的，所述晶粒尺寸为3 nm-500 μm的金刚石粉末原料中添加有烧结助剂A，所述晶粒尺寸为3 nm-500 μm的SiC多晶块体或粉末原料中添加有烧结助剂B。
优选的，所述烧结助剂A为Fe、Co、Ni、Si中的一种或多种，所述烧结助剂B为Fe、Si中的一种或两者的混合物。
优选的，所述高温高压烧结的条件是烧结压力1-25 GPa、烧结温度600-2300 ℃、保温时间20秒- 5小时。
优选的，所述高温高压烧结的条件是烧结压力1-4.5 GPa、烧结温度600-1300 ℃、保温时间20秒-3分钟。
优选的，制备得到的多晶SiC—金刚石双层复合材料的厚度为2-200 mm，其中多晶SiC层厚度为1-199 mm，多晶金刚石厚度为1-199 mm。
优选的，所述高压设备是国产六面顶压机。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明制备的多晶SiC—金刚石双层复合材料，具有多晶金刚石与多晶SiC双层结构，多晶金刚石层的主相为金刚石，多晶SiC层的主相为α-SiC，两层多晶材料结合紧密，相对密度高，气孔率低，晶粒大小均匀分布，具有良好的力学性能，如高硬度（多晶金刚石层的维氏硬度为55-80 GPa，多晶SiC层的硬度为22-30 GPa）、高韧性（多晶金刚石层的断裂韧性为7.1-14.4 MPa·m1/2，多晶SiC层的断裂韧性为2.3-4.7 MPa·m1/2）等，既具备金刚石高硬度高断裂韧性的特点，又结合了SiC耐磨性好、密度低、成本低的优点，具有广泛的应用前景；
2、本发明利用高温高压条件制备多晶SiC—金刚石双层复合材料，高压可以抑制晶粒在高温条件下异常长大，成功解决了SiC在高温常压烧结过程中晶粒异常长大的问题；
3、本发明可利用国产六面顶压机制备多晶SiC—金刚石双层复合材料，能够实现大规模的工业化生产，降低生产成本。
附图说明
图1为本发明工艺流程图；
图2为实例1多晶SiC—金刚石双层复合材料的扫描电镜分析图；
图3为实例1多晶SiC—金刚石双层复合材料的多晶SiC层扫描电镜分析图；
图4为实例1多晶SiC—金刚石双层复合材料的多晶金刚石层扫描电镜分析图；
图5为实例2多晶SiC—金刚石双层复合材料的扫描电镜分析图；
图6为实例2多晶SiC—金刚石双层复合材料的多晶SiC层扫描电镜分析图；
图7为实例2多晶SiC—金刚石双层复合材料的多晶金刚石层扫描电镜分析图；
图8为实例3多晶SiC—金刚石双层复合材料的扫描电镜分析图；
图9为实例3多晶SiC—金刚石双层复合材料的多晶SiC层扫描电镜分析图；
图10为实例3多晶SiC—金刚石双层复合材料的多晶金刚石层扫描电镜分析图。
具体实施方式
下面通过附图和具体实施方式对本发明做进一步说明，有必要在此指出的是本实施例是对于本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员可以根据上述发明的内容做出一些非本质的改进和调整。
实施例1：
a、原料处理检测：取纯度为99%、平均晶粒尺寸为30 μm的多晶SiC块材55 g；取平均晶粒尺寸为20 μm的金刚石粉末50 g，金刚石粉末中加入体积分数为5% 的Si粉作为烧结助剂，用60 ml无水乙醇处理，倒出废液后，在烘箱内120 ℃下烘干；多晶SiC块材中加入体积分数为3% 的Si粉作为烧结助剂，用50 ml无水乙醇处理，倒出废液后，在烘箱内120 ℃下烘干，烘干后的多晶B4C块材和金刚石粉末中分别加60 ml去离子水并分别预压成型，把成型样品在真空干燥箱中干燥；
b、装配烧结单元：对用来包裹原料的金属包裹体进行处理，打磨并抛光，然后去油、超声波清洗、真空烘干，将预压成型的金刚石粉末层与SiC块材层贴在一起并用金属包裹体包裹，防止样品在高温高压环境下被污染；将包裹后的试样装入高压装配烧结单元中，将组装好的烧结单元放入干燥箱中在120 ℃恒温作用下干燥备用；
c、高温高压烧结：利用六面顶压机进行高温高压烧结，达到设定压力4.5 GPa后，升温加热，在1500℃的条件下保温5分钟，待保温结束后，停止加热，保压2 min后，再开始缓慢降压；
d、样品处理：取出合成腔体内的样品，去除样品外面包裹的金属，对合成样品进行打磨、抛光以及酸洗，得到多晶SiC—金刚石双层复合材料。
样品性能检测：制备得到的多晶SiC—金刚石双层复合材料的厚度为10 mm，其中多晶SiC层厚度为5 mm，多晶金刚石厚度为5 mm，利用XRD检测样品物相组成，多晶金刚石层的主相为金刚石，多晶SiC层的主相为α-SiC；SEM检测样品微观形貌，样品致密度高，气孔率低；维氏硬度测试表明多晶金刚石层的维氏硬度为65 GPa，多晶SiC层的硬度为28 GPa，多晶SiC层的断裂韧性为3.7 MPa·m1/2，多晶金刚石层的断裂韧性为9.9 MPa·m1/2。
实施例2：
a、原料处理检测：取纯度为98%、平均晶粒尺寸为500 nm的多晶SiC块材80 g，取平均晶粒尺寸为10 μm的金刚石粉末100 g，取金刚石粉末中加入体积分数为4% 的Ni粉作为烧结助剂，用90 ml无水乙醇处理，倒出废液后，在烘箱内120 ℃下烘干；多晶SiC块材用150 ml无水乙醇处理，倒出废液后，在烘箱内120 ℃下烘干，烘干后的多晶B4C块材和金刚石粉末中分别加110 ml去离子水并分别预压成型，把成型样品在真空干燥箱中干燥；
b、该步骤与实施例1中的步骤b相同；
c、高温高压烧结：利用六面顶压机进行高温高压烧结，达到设定压力6 GPa后，升温加热，在1300 ℃的条件下保温15分钟，待保温结束后，停止加热，保压2 min后，再开始缓慢降压；
d、该步骤与实施例1中的步骤d相同。
样品性能检测：制备得到的多晶SiC—金刚石双层复合材料的厚度为18 mm，其中多晶SiC层厚度为8mm，多晶金刚石厚度为10 mm，利用XRD检测样品物相组成，多晶金刚石层的主相为金刚石，多晶SiC层的主相为α-SiC；SEM检测样品微观形貌，样品致密度高，气孔率低；维氏硬度测试表明多晶金刚石层的维氏硬度为62 GPa，多晶SiC层的硬度为30 GPa，多晶金刚石层的断裂韧性为11.5 MPa·m1/2，多晶SiC层的断裂韧性为4.2 MPa·m1/2。
实施例3：
a、原料处理检测：取纯度为99%、平均晶粒尺寸为5 μm的多晶SiC块材74 g平均晶粒尺寸为20 μm的金刚石粉末77 g，金刚石粉末用90 ml无水乙醇处理，倒出废液后，在烘箱内120 ℃下烘干；多晶SiC块材用90 ml无水乙醇处理，倒出废液后，在烘箱内120 ℃下烘干，烘干后的多晶B4C块材和金刚石粉末中分别加100 ml去离子水并分别预压成型，把成型样品在真空干燥箱中干燥；
b、该步骤与实施例1中的步骤b相同；
c、高温高压烧结：利用六面顶压机进行高温高压烧结，达到设定压力7 GPa后，升温加热，在1700℃的条件下保温3分钟，待保温结束后，停止加热，保压2 min后，再开始缓慢降压；
d、该步骤与实施例1中的步骤d相同。
样品性能检测：制备得到的多晶SiC—金刚石双层复合材料的厚度为14mm，其中多晶SiC层厚度为7mm，多晶金刚石厚度为7 mm，利用XRD检测样品物相组成，多晶金刚石层的主相为金刚石，多晶SiC层的主相为α-SiC；SEM检测样品微观形貌，样品致密度高，气孔率低；维氏硬度测试表明多晶金刚石层的维氏硬度为64 GPa，多晶SiC层的硬度为29 GPa，多晶金刚石层的断裂韧性为13.3 MPa·m1/2，多晶SiC层的断裂韧性为4.6 MPa·m1/2。
