研究金刚石膜表征论文摘要

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多孔金属材料的制备工艺及性能分析多领域有着广泛的应用前景。本文概述了多孔金属材料的常用制备方法及其主要性能。关键词:多孔金属材料;制备;性能;应用摘 要 :多孔金属材料是一种性能优异的新型功能材料和结构材料 ,具有独特的结构和性能 ,在很科学家极大的兴趣 ,成为材料类研究的热点方向之1 引言一 ,自 20世纪 90年代以来 ,美国的哈佛大学、英国在传统的金属材料中 ,孔洞 (宏观的或微观的 )的剑桥大学、德国的 Fraunhofer材料研究所、日本的被认为是一种缺陷 ,因为它们往往是裂纹形成和扩东京大学等对多孔金属材料的制备工艺和性能进行展的中心 ,对材料的理化性能及力学性能产生不利了广泛的研究 ,获得了一批研究成果 [2-5]。在我国 ,的影响。但是 ,当材料中的孔洞数量增加到一定程多孔金属材料的基础和应用研究也逐步得到重视和度时 ,材料就会因孔洞的存在而产生一些奇异的功发展。近年来 ,研究队伍不断壮大 ,在制备技术、结能 ,从而形成一类新的材料 ,这就是多孔金属材料。构和物性等方面的基础研究以及在各种民用和国防按照孔之间是否连通 ,可以把多孔金属材料分为闭领域的应用研究均取得了一定的进展 ,已经引起我孔和通孔两类 ,如图 1所示。该类材料具有良好的国政府、中科院和航空航天等部门的高度重视 ,尤其吸能性能、高阻尼性能、吸声性能、电磁屏蔽性能及值得一提的是 ,我国在 2005年立项的国家重大基础良好的导热导电性能 [1] ,因而在一般工业领域 (如研究计划 (973计划 )“超轻多孔材料和结构创新构汽车工业 )、国防科技领域及环境保护领域等有着型的多功能化基础研究 ” ,更是体现了对该类材料广泛的应用前景 ,它的设计、开发和应用引起了中外研究的重要性和迫切性。水化物等,然后将均混的混合物压制成密实块体即到目前为止 ,已开发的制备多孔金属的方法很多 ,涉及到的领域也非常广。根据在制备过程中金属所处的状态 ,可将多孔金属的制备工艺分为以下三类 :液相法、粉末烧结法和沉积法。 2. 1 液相法液相法包括的种类比较多 ,且较易制备大块的多孔金属和产品易商业化 ,成为多孔金属材料制备的主要手段,液相法主要包括以下几种: 2. 1. 1 颗粒渗流法颗粒渗流法[ 6 ]原理是首先将颗粒在模具内压实,烘干形成预制块。然后通过压力将金属液渗入中,并强烈搅拌使空心小球分散,最后得到空心球与金属基体形成的多孔金属材料。空心球铸造法的特点是孔径和孔隙率易于控制,材料综合力学性能好。2. 2 粉末冶金法粉末冶金法主要包括粉末烧结发泡法、烧结-脱溶法、松散粉末烧结法、中空球烧结法等。2. 2. 1 粉末烧结发泡法这种工艺[ 12 ]是首先将金属粉末和相应的发泡剂按一定比例均匀混合,发泡剂可以是金属氢化物、半成品,最后将此半成品加热到接近或高于混合物熔点的温度,使发泡剂分解,金属熔化,从而形成多孔泡沫材料。此种方法易于制作近半成品的零件和到颗粒预制块的间隙中,最后将颗粒溶除即可得到通孔结构的多孔金属材料。2. 1. 2 精密铸造法精密铸造法 [8]是首先用耐火材料浆料填满海绵状泡沫塑料的孔隙 ,待耐火材料固化后 ,加热除去塑料 ,即形成一个多孔预制块体。然后把液态金属液浇入到预制块上 ,加压渗流 ,这一点类似于渗流过程。最后再除去耐火材料 ,就形成与原来海绵状塑料结构相同的多孔金属材料。 2. 1. 3 熔融金属发泡法熔融金属发泡工艺可分为两种 ,发泡剂发泡和通气发泡 [9, 10 ]。前者是在熔融的金属液中加入发泡剂 (如 TiH2 ) ;后者则是在金属液中通入气体 (如惰性气体 )。这两种工艺的共同特点是可制备孔隙率高、尺寸大、闭孔结构的多孔金属 ,但过程控制较为复杂 ,孔结构分布均匀性不高。 2. 1. 4 空心球铸造法空心球铸造法 [11 ]的原理是先采用商用酚醛塑料小球在惰性气体环境中加热直至塑料碳化 ,形成中空的小球。然后将这些中空的小球加入到金属液三明治式的复合材料 ,而且孔隙率较高 ,孔分布均匀。 2. 2. 2 烧结 -脱溶法这种制备工艺 [13 ]首先是将金属粉末和可去除填充颗粒均匀混合 ,其中可去除填充颗粒一般包括两类 ,一类为可溶于水或其它溶剂的盐 (如 NaCl等 ),一类为可分解有机物 (如尿素、碳酸氢氨等 ),均混后把混合物压制成致密的半成品 ,然后在一合适的温度烧结。若填充颗粒为可分解有机物 ,则烧结过程中颗粒会分解气化 ;若填充颗粒为可溶性盐 ,则在烧结后可用溶剂将其溶去便得到多孔金属材料。2. 2. 3 松散粉末烧结法松散粉末烧结 [14 ]是把松散状态的金属粉末不经压实直接进行烧结的方法。此种方法可用于生产多孔金属电极。 2. 2. 4 中空球烧结法通过将金属中空球烧结 ,使之扩散结合而制造多孔材料的方法。此方法制造的多孔材料兼有通孔和闭孔。金属中空球可通过下述方法制备 :在球形树脂上化学沉积或电沉积一层金属 ,然后将树脂除 明显的三阶段特征 ,即初始的弹性段 (Linear Elasticity)、中间的平台段 ( Plateau)和最后的致密段 (Densification)。其中 ,平台段的起始点应力称为泡沫材料的屈服或坍塌强度 ,此强度远小于其基体的屈服强度 [1]。当多孔金属材料受到外加载荷时 ,因屈服强度低很容易发生变形 ,而且变形量大、流动应力低 ,在变形过程中通过孔的变形、坍塌、破裂、胞壁摩擦等形式消耗大量能量而不使应力升的。高 ,从而能有效地吸收冲击能。这种在较低应力水形成金属烟。金属烟在自身重力作用及惰性气流的平下吸收大量冲击能的特征正是冲击缓冲所需要携带下沉积和冷却。因其温度低 ,原子难以迁移和扩散 ,故金属烟微粒只是疏散地堆砌起来 ,形成多孔3. 2 高阻尼性能泡沫结构 [16 ]。 多孔金属材料可看作是由三维网络状金属骨架去 ,或将树脂球和金属粉一同混合 ,随后烧结使金属粉结合 ,同时树脂球挥发 [ 15 ]。 2. 3 沉积法沉积法主要包括金属气相蒸发沉积法、原子溅射沉积法和电化学沉积法三种。 2. 3. 1 金属气相蒸发沉积法在较高惰性气氛中 ,缓慢蒸发金属材料 ,蒸发出来的金属原子在前进过程中与惰性气体发生一系列碰撞作用 ,使之迅速失去动能 ,从而部分凝聚起来 ,与高压惰性气体原子碰撞 2. 3. 2 原子溅射沉积法在惰性气体的压力下,元素原子在飞溅路程中,金属原子一方面捕获气体原子 ,另一方面凝聚成金属液滴 ,然后到达衬底。在衬底上获得均匀包裹气体原子的金属体 ,最后在高于金属熔点的温度下把金属加热足够长的时间使捕获的气体膨胀 ,形成多孔金属材料。这种方法的特点是孔结构非常理想 ,但成本昂贵 ,不易制备大件 [ 17 ]。 2. 3. 3 电化学沉积法这种方法是以聚氨基甲酸乙脂发泡材料为骨架 ,进行电解沉积 ,然后加热去除有机聚合物骨架 ,得到多孔金属材料。这种方法制备的多孔材料不但孔隙率高 ,孔分布均匀 ,且孔互相连通呈三维网状结构 [ 18 ]。 3 多孔金属材料的主要性能多孔金属材料作为一类区别于致密材料的新型材料 ,具有一些其基体或母体所不具备的特殊性能和功能 ,主要表现如下 : 3. 1 吸能性能图 4 多孔金属材料典型的压缩应力 -应变曲线多孔金属材料的应力 -应变 (σ -ε)响应具有与孔洞所组成的两相复合材料。除了孔洞与金属基体之间所形成的界面外 ,材料内部还存在其它大量微观的 (主要是位错 )和宏观的 (较小的孔洞和裂纹 )缺陷 ,其组织状态和缺陷分布极不均匀。因此当外力作用于多孔金属材料上时 ,将在基体中产生不均匀的应变 ,特别是在孔洞 (宏观的或微观的 )或裂纹附近 ,其应变情况更为复杂 ,从而引起缺陷区域原子重排。缺陷区的这种响应是粘滞性的 ,因而引起粘滞性应变 ,造成能量的损耗 ,导致材料的阻尼增加。 3. 3 吸声性能多孔金属材料的高孔隙率结构使其具有良好的吸声性能 [19 ]。一般来讲 ,通孔或半通孔多孔金属的吸声效果比闭孔的好。多孔金属材料的吸声机制主要可归为两种 ,即声波经过多孔金属时流动阻力的升高造成的粘性损失以及声波与孔洞表面热量交换造成的热损失。 3. 4 电磁屏蔽、导热和导电性能多孔金属具有良好的导电性和很高的比表面积 ,因此具备很高的电磁屏蔽性能 ,即良好的吸收和反射电磁波的能力。同时又具有良好的导热性能 [ 20, 21 ]。 3. 5 其它性能质轻 ,易着色 ,易加工 ,耐高温。 4 结语 (1)多孔金属材料具有良好的理化性能和力学性能 ,因而可以作为功能材料和结构材料 ,具有良好的应用前景。多孔金属材料的制备工艺很多 ,因而可以满足多样化的需求 ,可以根据不同的应用需求 采用不同的制备工艺。 and energy absorbing characteristic of foamed aluminum. (2)部分制备工艺在结构的可控性、孔径的均Metall[J]. Mater. Trans, 1998 (A29): 2497-2502. 匀性、样品的大尺寸化等方面仍存在局限性 ,因而制[10 ]Cymat Corp, Canada. Product Information Sheets. http: / / 备工艺还需要进一步的探索和完善。 www. cymat. com. (3)随着工业和科技的进步 ,人们对多孔金属[11 ]张勇 ,舒光冀 ,何德坪 .用低压渗流法制备泡沫铝合金 [J ].材料科学进展 , 1993 (7) : 473 -47. 材料的需求量越来越大 ,要求也越来越高 ,但目前的[12]J. Baumeister, J. Banhart, M. Weber[M]. German Pa2研究也只是涉及到了多孔金属材料的一部分性能特terntDE 4426627. 1997. 点 ,相当多的潜在价值尚未被开发出来 MechanicalBehaviorofMetailicFomas[J]. . Mater. Sci, 2000 (30):191-227. Olurin,. ,或仅局限在(44) : 105 -110. [ 14 ]B. C.社,1982. [13]YA Novel sintering processformanufacturingAlfoams[J]. . Y. Zhao, D. X. Sun. -dissolution 实验室阶段 ,因而对性能的研究又提出了新课题。Scr. Mater, 2001 参考文献 : [1]L. J. Gibson, M. F. Ashby. Cellular Solids: Structure and 拉科夫斯基 .工程烧结材料 [M ].冶金工业出版Properties. 2nd ed[M ], Cambridge University Press, UK, 1997. [15]O. Andersen, U. Waag, L. Schneider, G. Stephani, B. [2 ]L. J. Gibson. Kieback. Novel Metallic Hollow Sphere Structures [ J ]. Annu. RevAdv. Eng. Mater, 2000 (2) : 192 -195. [3]O. B. Fleck, M. F. Ashby, Deformation and [16]张流强 ,常富华 .低密度金属泡沫的研制 [J ].功能材FractureofAluminum Foams[J]. Mater. Sci. Eng. 2000 料 , 1996, 27 (1) : 88 -91. (A291): 136-146. [17]. Lavernia,N. J. Grant. SprayDepositionofMetals?: [4]J. Banhart, W. Brinkrs. FatigureBehaviorofAluminum AReview[J]. Mater. Sci. Eng, 1998 (98):381-394. Foams[J]. J. Mater. Sci, 1999 (18):617-619. [18]X. Badiche, S. Forest, T. Guibert, Y. Bienvenu, M. [5]Y. Yamada, C. Wen, K. Shimojima,M. Mabuchi. Effects Corset, H. Bernet. MechanicalPropertiesandNon-Hom2 ofCellGeometryon theCompressivePropertiesofNickelFo2 ogeneousDeformation of Open -Cell Nicked Foams?: Ap2 mas[J]. Mater. Trans, 2000 (41):1136-1138. plicationoftheMechanicsofCellularSolidsandPorousMa2 [6]张勇 ,舒光冀 ,何德坪 .用低压渗流法制备泡沫铝合金 terials[J]. Mater. Sci. Eng, 2000 (A289):276-288. [J ].材料科学进展 ,1993 (7):473 -478. [19]许庆彦 ,陈玉勇 ,李庆春 .加压渗流铸造多孔铝合金及[7 ]J. Banhart. Manufacture, characterization and application 其吸声性能 [J]1铸造 ,1998 (4):1 -4. ofcellularmetalsandmetalfoams[J]. ProgressinMateri2 [20 ]黄福祥 ,金吉琰 ,范嗣元等 .发泡金属的电磁屏蔽性能als Science, 2001 (46) : 559 -632. 研究 [J]1功能材料 , 1996 (27) : 52 -54. [8]F. Frei, V. Gergely, A. Mortensen, . Clyne. The [21]J. Kovacik, F. FoamModulusofE2 effectofpriordeformationon thefoamingbehaviorof“form2 lasticity and Electrical Conductivity According To Percola2 grip”precursormaterial[J ] 1Adv. Eng. Mater, 2002 (4): tionTheory[J]. Scr. Mater, 1998 (39):239-246. 749 -752. [责任编辑 朱联营 ] [9]F. S. Han, Z. G. Zhu , J. C. Gao. Compressive deformation On the Preparation and Properties of the PorousMetallicMaterials HAO Gang -ling1 , HAN Fu -sheng2 , LIWei-dong1, BAIShao-min1,YANGNeng-xun 1 (1. College of Physics and Electronic Information, Yanan University, Yanan, Shaanxi 716000 2. KeyLaboratoryofMaterialsPhysics, InstituteofSolidStatePhysics, Chinese Academy of Sciences, Hefei, Anhui 230031) Abstract: Porousmetallicmaterialswithuniqueexcellentstructuresandpropertiescanbeutilizedasnew function2 aland structuralmaterials, which indicatsthattheporousmetallicmaterialshaveawidelypromisingapplication in manyfields. Thevariouspopularmanufacturingmethodsandthemainpropertiesoftheporousmetallicmaterials, in the present paper, were summarized. Key words: porousmetallic materials; preparation; properties; ppplication

从20世纪70年代起，原苏联就开始了金刚石薄膜的研究工作，开发出了化学气相沉积法，即CVD法。日本于80年代初，借鉴原苏联的技术，开发出微波CVD法（MW CVD）；美国从1984年投入力量，开始追赶。从1987年掀起了世界范围的金刚石薄膜热；西方国家把当今世界称为新金刚石时代；1988年10月在日本东京召开“首届国际新金刚石科学技术研讨会”，16个国家、360名代表参加；1990年9月在美国华盛顿召开了第二届“新金刚石研讨会”，有18个国家、470名代表参加，发表了180篇文章，其中有一半以上是有关CVD法。近年来，日本每年拿出1亿美元投入到薄膜开发；1991年美国政府拨款约1千万美元。

不久将来以金刚石薄膜为基础的新一代电子产品，会大量出现。有下面几例可说明当今金刚石薄膜的生产技术水平：①1991年美国应用脉冲激光方法，在铜衬底上成功地合成出金刚石单晶；②日本于1991年取得金刚石薄膜沉积速度达1000μm/h的水平；③1991年，乌克兰超硬材料研究所研制出直径达半米的薄膜，并向一米直径进军；④金刚石薄膜的沉积温度，已降至350℃。

我国“七五”规划863工程金刚石薄膜开发项目执行以来，已有30多个大学及院所，以及公司从事开发研究，取得可喜的进展，大多数国外采用的方法国内均有并已达到了实际应用水平。

一、应用领域

由于金刚石薄膜硬度高、耐磨性好、绝缘性好以及具有优异的热、电、光、声特性，故它在高速计算机、超大规模集成电路、高温微电子、光电子、空间技术、激光技术以及现代通讯等领域内有着巨大的应用潜力。

它主要用于：①集成电路、激光器件的散热片；②红外窗口；③超大型集成电路芯片；④薄膜传感器；⑤高保真扬声器振动膜；⑥机械零件耐磨表面；⑦晶体管二极管、激光二极管的热沉材料；⑧抗辐射电子仪器；⑨防化学腐蚀的表面；⑩热敏电阻片（温度达600℃）等等。

二、金刚石薄膜制备工艺

金刚石薄膜的制备方法很多，可分为两大类：物理气相沉积法（PVD）；化学气相沉积法（CVD）。现介绍几种典型常用的方法：

1.热丝化学相沉积法（HCVD）

此法又称为热能CVD法，其工作原理见图2-11-10（1）。该法是把基片（Si、Mo、石英玻璃片等）放在用石英玻璃管（或其他材料）制成的反应室内，先将系统抽真空至预定值。然后通入原料气体（一般采用CH4与H2的混合气体，其体积浓度之比：～），使反应室内的气体压力达到103～105Pa，将外电炉升至预定温度，再使灯丝（钨丝或钽丝）加热至2000℃以上。热丝与基底之间的距离为1mm至几十毫米之间；基片温度为500～900 ℃。在这样的反应条件下，CH4、H2被热解，金刚石在基片上沉积，便获得金刚石薄膜产品。

热丝法的优点是：设备简单，操作容易。缺点是：生长速度慢（1～2μm/h）；热丝的化学成分会污染金刚石膜。

图2-11-10 CVD装置示意图

2.直流等离子体喷射CVD法（DCPCVD）

等离子体CVD包括直流等离子体、高频等离子体和微波等离子体CVD三种。

直流等离子体CVD的装置见图2-11-10（2）。等离子体喷管有圆筒状喷嘴（阳极）和圆筒中的柱状阴极组成。阴极用镍制成，阳极材料为紫铜。在阴极和阳极之间通入的CH4+H2气体放电，形成电弧，产生C、H、H2多种等离子体。它们在压力差的作用下，以接近声速的高速度从喷嘴喷出，形成了等离子体射流撞击到水冷的基底上，沉积成金刚石膜。

直流等离子体CVD法的典型工艺条件如下：

碎岩工程学

该方法的优点：能在很快速度下生长优质大尺寸金刚石厚膜，最快的生长速度可达930μm/h。缺点是所用设备较复杂。

著名的美国Norton公司就是采用该方法以工业化的规模生产优质金刚石膜。

3.微波等离子体CVD法

微波等离子体CVD装置如图2-11-10（3）所示。微波发生器产生的微波，通过波导管耦合到反应器内，而产生辉光放电。反应器内的微波一方面使CH4和H2混合气体原料电离成等离子体；另一方面加热基底温度至700～900℃。因此，微波等离子体的输出功率不仅影响基底温度，而且影响反应物的质量。采用本方法时，金刚石在基片上的沉积速度为3μm/h。

4.化学火焰法（燃烧火焰法）CFD

1988年，日本发明了一种非常方便的制备金刚石薄膜的方法——燃烧火焰法，如图2-11-10（4）所示。

燃烧是一种氧化反应，大气下的燃烧火焰，也是一种等离子体。如果将碳氢化合物C2H2和氧气通入到火焰枪，只要预混氧气适量，就能形成由焰心、内焰（还原焰）和外焰（氧化焰）构成的火焰。在外焰区，C原子被氧化成CO2，因此不能用于金刚石的制备；在内焰区，由于氧气不足，燃烧不安全，因此，在该区内含有大量的活性游离基团。这些活性基团在温度较低的基底上，沉积出金刚石膜。

基片放在内焰范围中，基片温度为500～1100℃，气体流量均为1～6L/min；内焰长度25～60mm；试样到喷口距离为15～40mm。

该方法的特点是：可在大气中进行，设备简单，成本低；沉积速度快（60～100μm/h）；能在硬质合金基片上沉积。

相关范文：超硬材料薄膜涂层研究进展及应用摘要：CVD和PVD TiN，TiC，TiCN，TiAlN等硬质薄膜涂层材料已经在工具、模具、装饰等行业得到日益广泛的应用，但仍然不能满足许多难加工材料，如高硅铝合金，各种有色金属及其合金，工程塑料，非金属材料，陶瓷，复合材料(特别是金属基和陶瓷基复合材料)等加工要求。正是这种客观需求导致了诸如金刚石膜、立方氮化硼(c-BN)和碳氮膜(CNx)以及纳米复合膜等新型超硬薄膜材料的研究进展。本文对这些超硬材料薄膜的研究现状及工业化应用前景进行了简要的介绍和评述。关键词：超硬材料薄膜；研究进展；工业化应用1 超硬薄膜超硬薄膜是指维氏硬度在40GPa以上的硬质薄膜。不久以前还只有金刚石膜和立方氮化硼(c-BN)薄膜能够达到这个标准，前者的硬度为50-100GPa(与晶体取向有关)，后者的硬度为50～80GPa。类金刚石膜(DLC)的硬度范围视制备方法和工艺不同可在10GPa～60GPa的宽广范围内变动。因此一些硬度很高的类金刚石膜(如采用真空磁过滤电弧离子镀技术制备的类金刚石膜(也叫Ta：C))也可归人超硬薄膜行列。近年来出现的碳氮膜(CNx)虽然没有像Cohen等预测的晶态β-C3N4那样超过金刚石的硬度，但已有的研究结果表明其硬度可达10GPa～50GPa，因此也归人超硬薄膜一类。上述几种超硬薄膜材料具有一个相同的特征，他们的禁带宽度都很大，都具有优秀的半导体性质，因此也叫做宽禁带半导体薄膜。SiC和GaN薄膜也是优秀的宽禁带半导体材料，但它们的硬度都低于40GPa，因此不属于超硬薄膜。最近出现的一类超硬薄膜材料与上述宽禁带半导体薄膜完全不同，他们是由纳米厚度的普通的硬质薄膜组成的多层膜材料。尽管每一层薄膜的硬度都没有达到超硬的标准，但由它们组成的纳米复合多层膜却显示了超硬的特性。此外，由纳米晶粒复合的TiN／SiNx薄膜的硬度竟然高达105GPa，创纪录地达到了金刚石的硬度。本文将就上述几种超硬薄膜材料一一进行简略介绍，并对其工业化应用前景进行评述。2 金刚石膜2．1金刚石膜的性质金刚石膜从20世纪80年代初开始，一直受到世界各国的广泛重视，并曾于20世纪80年代中叶至90年代末形成了一个全球范围的研究热潮(Diamond fever)。这是因为金刚石除具有无与伦比的高硬度和高弹性模量之外，还具有极其优异的电学(电子学)、光学、热学、声学、电化学性能(见表1)和极佳的化学稳定性。大颗粒天然金刚石单晶(钻石)在自然界中十分稀少，价格极其昂贵。而采用高温高压方法人工合成的工业金刚石大都是粒度较小的粉末状的产品，只能用作磨料和工具(包括金刚石烧结体和聚晶金刚石(PCD)制品)。而采用化学气相沉积(CVD)方法制备的金刚石膜则提供了利用金刚石所有优异物理化学性能的可能性。经过20余年的努力，化学气相沉积金刚石膜已经在几乎所有的物理化学性质方面和最高质量的IIa型天然金刚石晶体(宝石级)相比美(见表1)。化学气相沉积金刚石膜的研究已经进人工业化应用阶段。表 1 金刚石膜的性质Table 1 Properties of chamond filmCVD 金刚石膜天然金刚石点阵常数 (Å)密度 (g/cm3)比热 Cp(J/mol,(at 300K))弹性模量 (GPa)910-12501220*硬度 (GPa)50-10057-100*纵波声速 (m/s)18200摩擦系数热膨胀系数 (×10 -6 ℃ -1)***热导率 (W/)2122*禁带宽度 (eV)电阻率 (Ω.cm)1012-10161016饱和电子速度 (×107cms-1)*载流子迁移率 (cm2/Vs)电子1350-15002200**空隙4801600*击穿场强 (×105V/cm)100介电常数光学吸收边 (□ m)折射率 ( □ m)光学透过范围从紫外直至远红外 ( 雷达波 )从紫外直至远红外 ( 雷达波 )微波介电损耗 (tan □)＜ 注:*在所有已知物质中占第一,**在所有物质中占第二,***与茵瓦(Invar)合金相当。2．2金刚石膜的制备方法化学气相沉积金刚石所依据的化学反应基于碳氢化合物(如甲烷)的裂解，如：热高温、等离子体CH4(g)一C(diamond)+2H2(g) (1)实际的沉积过程非常复杂，至今尚未完全明了。但金刚石膜沉积至少需要两个必要的条件：(1)含碳气源的活化；(2)在沉积气氛中存在足够数量的原子氢。除甲烷外，还可采用大量其它含碳物质作为沉积金刚石膜的前驱体，如脂肪族和芳香族碳氢化合物，乙醇，酮，以及固态聚合物(如聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯)，以及卤素等等。常用的沉积方法有四种：(1)热丝CVD；(2)微波等离子体CVD；(3)直流电弧等离子体喷射(DC Arc Plasma Jet)；(4)燃烧火焰沉积。在这几种沉积方法中，改进的热丝CVD(EACVD)设备和工艺比较简单，稳定性较好，易于放大，比较适合于金刚石自支撑膜的工业化生产。但由于易受灯丝污染和气体活化温度较低的原因，不适合于极高质量金刚石膜(如光学级金刚石膜)的制备。微波等离子体CVD是一种无电极放电的等离子体增强化学气相沉积工艺，等离子体与沉积腔体没有接触，放电非常稳定，因此特别适合于高质量金刚石薄膜(涂层)的制备。微波等离子体CVD的缺点是沉积速率较低，设备昂贵，制备成本较高。采用高功率微波等离子体CVD系统(目前国外设备最高功率为75千瓦，国内为5千瓦)，也可实现金刚石膜大面积、高质量、高速沉积。但高功率设备价格极其昂贵(超过100万美元)，即使在国外愿意出此天价购买这种设备的人也不多。直流电弧等离子体喷射(DC Arc P1asma Jet)是一种金刚石膜高速沉积方法。由于电弧等离子体能够达到非常高的温度(4000K-6000K)。因此可提供比其它任何沉积方法都要高的原子氢浓度，使其成为一种金刚石膜高质量高速沉积工艺。特殊设计的高功率JET可以实现大面积极高质量(光学级)金刚石自支撑膜的高速沉积。我国在863计划"75”和"95”重大关键技术项目的支持下已经建立具有我国特色和独立知识产权的高功率De Are Plasma Jet金刚石膜沉积系统，并于1997年底在大面积光学级金刚石膜的制备技术方面取得了突破性进展。目前已接近国外先进水平。2．3金刚石膜研究现状和工业化应用20余年来，CVD金刚石膜研究已经取得了非常大的进展。金刚石膜的内在质量已经全面达到最高质量的天然IIa型金刚石单晶的水平(见表1)。在金刚石膜工具应用和热学应用(热沉)方面已经实现了，产业化，一些新型的金刚石膜高技术企业已经在国内外开始出现。光学(主要是军事光学)应用已经接近产业化应用水平。金刚石膜场发射和真空微电子器件、声表面波器件(SAW)、抗辐射电子器件(如SOD器件)、一些基于金刚石膜的探侧器和传感器和金刚石膜的电化学应用等已经接近实用化。由于大面积单晶异质外延一直没有取得实质性进展，n一型掺杂也依然不够理想，金刚石膜的高温半导体器件的研发受到严重障碍。但是，近年来采用大尺寸高温高压合成金刚石单晶衬底的金刚石同质外延技术取得了显著进展，已经达到了研制芯片级尺寸衬底的要求。金刚石高温半导体芯片即将问世。鉴于篇幅限制，及本文关于超硬薄膜介绍的宗旨，下面将仅对金刚石膜的工具(摩擦磨损)应用进行简要介绍。2．4金刚石膜工具和摩擦磨损应用金刚石膜所具有的最高硬度、最高热导率、极低摩擦系数、很高的机械强度和良好化学稳定性的异性能组合(见表1)使其成为最理想的工具和工具涂层材料。金刚石膜工具可分为金刚石厚膜工具和金刚石薄膜涂层工具。2．4．1金刚石厚膜工具金刚石厚膜工具采用无衬底金刚石白支撑膜(厚度一般为0．5mm～2mm)作为原材料。目前已经上市的产品有：金刚石厚膜焊接工具、金刚石膜拉丝模芯、金刚石膜砂轮修整条、高精度金刚石膜轴承支架等等。金刚石厚膜焊接工具的制作工艺为：金刚石自支撑膜沉积→激光切割→真空钎焊→高频焊接→精整。金刚石厚膜钎焊工具的使用性能远远优于PCD，可用于各种难加工材料，包括高硅铝合金和各种有色金属及合金、复合材料、陶瓷、工程塑料、玻璃和其它非金属材料等的高效、精密加工。采用金刚石厚膜工具车削加工的高硅铝合金表面光洁度可达V12以上，可代替昂贵的天然金刚石刀具进行“镜面加工"。金刚石膜拉丝模芯可用于拉制各种有色金属和不锈钢丝，由于金刚石膜是准各向同性的，因此在拉丝时模孔的磨损基本上是均匀的，不像天然金刚石拉丝模芯那样模孔的形状会由于非均匀磨损(各向异性所致)而发生畸变。金刚石膜修整条则广泛用于机械制造行业，用作精密磨削砂轮的修整，代替价格昂贵的天然金刚石修整条。这些产品已经在国内外市场上出现，但目前的规模还不大。其原因是：(1)还没有为广大用户所熟悉、了解；(2)面临其它产品(主要是PCD)的竞争；(3)虽然比天然金刚石产品便宜，但成本(包括金刚石自支撑膜的制备和加工成本)仍然较高，在和PCD竞争时的优势受到一定的限制。高热导率(≥10W／em．K)金刚石自支撑膜可作为诸如高功率激光二极管阵列、高功率微波器件、MCMs(多芯片三维集成)技术的散热片(热沉)和功率半导体器件(Power ICs)的封装。在国外已有一定市场规模。在国内，南京天地集团公司和北京人工晶体研究所合作在1997年前后率先成立了北京天地金刚石公司，生产和销售金刚石膜拉丝模芯、金刚石膜修整条和金刚石厚膜焊接工具及其它一些金刚石膜产品。该公司大约在2000年左右渡过了盈亏平衡点，但目前的规模仍然不很大。国内其它一些单位，如北京科技大学、河北省科学院(北京科技大学的合作者)、吉林大学、核工业部九院、浙江大学、湖南大学等都具有生产金刚石厚膜工具产品的能力，其中有些单位正在国内市场上小批量销售其产品。2．4．2金刚石薄膜涂层工具金刚石薄膜涂层工具一般采用硬质合金工具作为衬底，金刚石膜涂层的厚度一般小于30lxm。金刚石薄膜涂层硬质合金工具的加工材料范围和金刚石厚膜工具完全相同，在切削高硅铝合金时一般均比未涂层硬质合金工具寿命提高lO～20倍左右。在切削复合材料等极难加工材料时寿命提高幅度更大。金刚石薄膜涂层工具的性能与PCD相当或略高于PCD，但制备成本比PCD低得多，且金刚石薄膜可以在几乎任意形状的工具衬底上沉积，PCD则只能制作简单形状的工具。金刚石薄膜涂层工具的另一大优点是可以大批量生产，因此成本很低，具有非常好的市场竞争能力。金刚石薄膜涂层硬质合金工具研发的一大技术障碍是金刚石膜与硬质合金的结合力太差。这主要是由于作为硬质合金粘接剂的Co所引起。碳在Co中有很高的溶解度，因此金刚石在Co上形核孕育期很长，同时Co对于石墨的形成有明显的促进作用，因此金刚石是在表面上形成的石墨层上面形核和生长，导致金刚石膜和硬质合金衬底的结合力极差。在20世纪80年代和90年代无数研究者曾为此尝试了几乎一切可以想到的办法，今天，金刚石膜与硬质合金工具衬底结合力差的问题已经基本解决。尽管仍有继续提高的余地，但已经可以满足工业化应用的要求。在20世纪后期，国外出现了可以用于金刚石薄膜涂层工具大批量工业化生产的设备，一次可以沉积数百只硬质合金钻头或刀片，拉开了金刚石薄膜涂层工具产业化的序幕。一些专门从事金刚石膜涂层工具生产的公司在国外相继出现。目前，金刚石薄膜涂层工具主要上市产品包括：金刚石膜涂层硬质合金车刀、铣刀、麻花钻头、端铣刀等等。从目前国外市场的销售情况来看，销售量最大的是端铣刀、钻头和铣刀。大量用于加工复合材料和汽车工业中广泛应用的大型石墨模具，以及其它难加工材料的加工。可转位金刚石膜涂层车刀的销售情况目前并不理想。这是因为可转位金刚石膜涂层刀片的市场主要是现代化汽车工业的数控加工中心，用于高硅铝合金活塞和轮毂等的自动化加工。这些全自动化的数控加工中心对刀具性能重复性的要求十分严格，目前的金刚石膜涂层工具暂时还不能满足要求，需要进一步解决产品检验和生产过程质量监控的技术。目前国外金刚石膜涂层工具市场规模大约在数亿美元左右，仅仅一家只有20多人的小公司(美国SP3公司)，去年的销售额就达2千多万美元。国内目前尚无金刚石膜涂层产品上市。国内不少单位，如北京科技大学、上海交大、广东有色院、胜利油田东营迪孚公司、吉林大学、北京天地金刚石公司等都在进行金刚石膜涂层硬质合金工具的研发，目前已在金刚石膜的结合力方面取得实质性进展。北京科技大学采用渗硼预处理工艺(已申请专利)成功地解决了金刚石膜的结合力问题，所研制的金刚石膜涂层车刀和铣刀在加工Si-12％AI合金时寿命可稳定提高20-30倍。并已成功研发出“强电流直流扩展电弧等离子体CVD"金刚石膜涂层设备(已申请专利)。该设备将通常金刚石膜沉积设备的平面沉积方式改为立体(空间)沉积，沉积空间区域很大，可容许金刚石膜涂层工具的工业化生产。该设备可保证在工具轴向提供很大的金刚石膜均匀沉积范围，因此特别适合于麻花钻头、端铣刀之类细长且形状复杂工具的沉积。目前已经解决这类工具金刚石膜沉积技术问题，所制备的金刚石膜涂层硬质合金钻头在加工碳化硅增强铝金属基复合材料时寿命提高20倍以上。目前能够制备的金刚石膜涂层硬质合金钻头最小直径为lmin。目前正在和国内知名设备制造厂商(北京长城钛金公司)合作研发工业化商品设备，生产能力为每次沉积硬质合金钻头(或刀片)300只以上，预计年内可投放国内外市场。3 类金刚石膜(DLC)类金刚石膜(DLC)是一大类在性质上和金刚石类似，具有8p2和sp3杂化的碳原子空间网络结构的非晶碳膜。依据制备方法和工艺的不同，DLC的性质可以在非常大的范围内变化，既有可能非常类似于金刚石，也有可能非常类似于石墨。其硬度、弹性模量、带隙宽度、光学透过特性、电阻率等等都可以依据需要进行“剪裁”。这一特性使DLC深受研究者和应用部门的欢迎。DLC的制备方法很多，采用射频CVD、磁控溅射、激光淀积(PLD)、离子束溅射、真空磁过滤电弧离子镀、微波等离子体CVD、ECR(电子回旋共振)CVD等等都可以制备DLC。DLC的类型也很多，通常意义上的DLC含有大量的氢，因此也叫a：C—H。但也可制备基本上不含氢的DLC，叫做a：c。采用高能激光束烧蚀石墨靶的方法获得的DLC具有很高的sp3含量，具有很高的硬度和较大的带隙宽度，曾被称为“非晶金刚石”(Amorphorie Diamond)膜。采用真空磁过滤电弧离子镀方法制备的DLC中sp3含量也很高，叫做Ta：C(Tetragonally Bonded Amorphous Carbon)。DLC具有类似于金刚石的高硬度(10GPa-50GPa)、低摩擦系数(0．1一0．3)、可调的带隙宽度(1_2eV～3eV)、可调的电阻率和折射率、良好光学透过性(在厚度很小的情况下)、良好的化学惰性和生物相容性。且沉积温度很低(可在室温沉积)，可在许多金刚石膜难以沉积的衬底材料(包括钢铁)上沉积。因此应用范围相当广泛。典型的应用包括：高速钢、硬质合金等工具的硬质涂层、硬磁盘保护膜、磁头保护膜、高速精密零部件耐磨减摩涂层、红外光学元器件(透镜和窗口)的抗划伤、耐磨损保护膜、Ge透镜和窗口的增透膜、眼镜和手表表壳的抗擦伤、耐磨掼保护膜、人体植入材料的保护膜等等。DLC在技术上已经成熟，在国外已经达到半工业化水平，形成具有一定规模的产业。深圳雷地公司在DLC的产业化应用方面走在国内前列。不少单位，如北京师范大学、中科院上海冶金所、北京科技大学、清华大学、广州有色院、四川大学等都正在进行或曾经进行过DLC的研究和应用开发工作。DLC的主要缺点是：(1)内应力很大，因此厚度受到限制，一般只能达到lum～21um以下；(2)热稳定性较差，含氢的a：C-H薄膜中的氢在400℃左右就会逐渐逸出，sp2成分增加，sp3成分降低，在大约500℃以上就会转变为石墨。5 碳氮膜自从Cohen等人在20世纪90年代初预言在C-N体系中可能存在硬度可能超过金刚石的β-C>3N4相以后，立即就在全球范围内掀起了一股合成β-C3N4的研究狂潮。国内外的研究者争先恐后，企图第一个合成出纯相的β-C3N4晶体或晶态薄膜。但是，经过了十余年的努力，至今并无任何人达到上述目标。在绝大多数情况下，得到的都是一种非晶态的CNx薄膜，膜中N／C比与薄膜制备的方法和具体工艺有关。尽管没有得到Cohen等人所预测超过金刚石硬度的β-C3N4晶体，但已有的研究表明CNx薄膜的硬度可达15GPa-50GPa，可与DLC相比拟。同时CNx薄膜具有十分奇特的摩擦磨损特性。在空气中，cNx薄膜的摩擦因数为，但在N2，CO2和真空中的摩擦因数为。在N2气氛中的摩擦因数最小，为O．01，即使在大气环境中向实验区域吹氮气，也可将摩擦因数降至。因此，CNx薄膜有望在摩擦磨损领域获得实际应用。除此之外。CNx薄膜在光学、热学和电子学方面也可能有很好的应用前景。采用反应磁控溅射、离子束淀积、双离子束溅射、激光束淀积(PLD)、等离子体辅助CVD和离子注人等方法都可以制备出CNx薄膜。在绝大多数情况下，所制备薄膜都是非晶态的，N／C比最大为45％，也即CNx总是富碳的。与C-BN的情况类似，CNx薄膜的制备需要离子的轰击，薄膜中存在很大的内应力，需要进一步降低薄膜内应力，提高薄膜的结合力才能获得实际应用。至于是否真正能够获得硬度超过金刚石的B-C3N4，现在还不能作任何结论。6 纳米复合膜和纳米复合多层膜以纳米厚度薄膜交替沉积获得的纳米复合膜的硬度与每层薄膜的厚度(调制周期)有关，有可能高于每一种组成薄膜的硬度。例如，TiN的硬度为2l GPa，NbN的硬度仅为14GPa，但TiN／NbN纳米复合多层膜的硬度却为5lGPa。而TiYN／VN纳米复合多层膜的硬度竞高达78GPa，接近了金刚石的硬度。最近，纳米晶粒复合的TiN／SiNx薄膜材料的硬度达到了创记录的105GPa，可以说完全达到了金刚石的硬度。这一令人惊异的结果曾经过同一研究组的不同研究者和不同研究组的反复重复验证，证明无误。这可能是第一次获得硬度可与金刚石相比拟的超硬薄膜材料。其意义是显而易见的。关于为何能够获得金刚石硬度的解释并无完全令人信服的定论。有人认为在纳米多层复合膜的情况下，纳米多层膜的界面有效地阻止了位错的滑移，使裂纹难以扩展，从而引起硬度的反常升高。而在纳米晶粒复合膜的情况下则可能是在TiN薄膜的纳米晶粒晶界和高度弥散分布的纳米共格SiNx粒子周围的应变场所引起的强化效应导致硬度的急剧升高。无论上述的理论解释是否完全合理，这种纳米复合多层膜和纳米晶粒复合膜应用前景是十分明朗的。纳米复合多层膜不仅硬度很高，摩擦系数也较小，因此是理想的工具(模具)涂层材料。它们的出现向金刚石作为最硬的材料的地位提出了严峻的挑战。同时在经济性上也有十分明显的优势，因此具有非常好的市场前景。但是，由于还有一些技术问题没有得到解决，目前暂时还未在工业上得到广泛应用。可以想见随着技术上的进一步成熟，这类材料可能迅速获得工业化应用。虽然钠米多层膜和钠米晶粒复合膜已经对金刚石硬度最高的地位提出了严峻的挑战，但就我所见，我认为它们不可能完全代替金刚石。金刚石膜是一种用途十分广泛的多功能材料，应用并不局限于超硬材料。且金刚石膜可以做成厚度很大(超过2mm)的自支撑膜，对于纳米复合多层膜和纳米复合膜来说，是无论如何也不可能的。仅供参考，请自借鉴希望对您有帮助

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金刚石有关研究论文参考文献

多孔金属材料的制备工艺及性能分析多领域有着广泛的应用前景。本文概述了多孔金属材料的常用制备方法及其主要性能。关键词:多孔金属材料;制备;性能;应用摘 要 :多孔金属材料是一种性能优异的新型功能材料和结构材料 ,具有独特的结构和性能 ,在很科学家极大的兴趣 ,成为材料类研究的热点方向之1 引言一 ,自 20世纪 90年代以来 ,美国的哈佛大学、英国在传统的金属材料中 ,孔洞 (宏观的或微观的 )的剑桥大学、德国的 Fraunhofer材料研究所、日本的被认为是一种缺陷 ,因为它们往往是裂纹形成和扩东京大学等对多孔金属材料的制备工艺和性能进行展的中心 ,对材料的理化性能及力学性能产生不利了广泛的研究 ,获得了一批研究成果 [2-5]。在我国 ,的影响。但是 ,当材料中的孔洞数量增加到一定程多孔金属材料的基础和应用研究也逐步得到重视和度时 ,材料就会因孔洞的存在而产生一些奇异的功发展。近年来 ,研究队伍不断壮大 ,在制备技术、结能 ,从而形成一类新的材料 ,这就是多孔金属材料。构和物性等方面的基础研究以及在各种民用和国防按照孔之间是否连通 ,可以把多孔金属材料分为闭领域的应用研究均取得了一定的进展 ,已经引起我孔和通孔两类 ,如图 1所示。该类材料具有良好的国政府、中科院和航空航天等部门的高度重视 ,尤其吸能性能、高阻尼性能、吸声性能、电磁屏蔽性能及值得一提的是 ,我国在 2005年立项的国家重大基础良好的导热导电性能 [1] ,因而在一般工业领域 (如研究计划 (973计划 )“超轻多孔材料和结构创新构汽车工业 )、国防科技领域及环境保护领域等有着型的多功能化基础研究 ” ,更是体现了对该类材料广泛的应用前景 ,它的设计、开发和应用引起了中外研究的重要性和迫切性。水化物等,然后将均混的混合物压制成密实块体即到目前为止 ,已开发的制备多孔金属的方法很多 ,涉及到的领域也非常广。根据在制备过程中金属所处的状态 ,可将多孔金属的制备工艺分为以下三类 :液相法、粉末烧结法和沉积法。 2. 1 液相法液相法包括的种类比较多 ,且较易制备大块的多孔金属和产品易商业化 ,成为多孔金属材料制备的主要手段,液相法主要包括以下几种: 2. 1. 1 颗粒渗流法颗粒渗流法[ 6 ]原理是首先将颗粒在模具内压实,烘干形成预制块。然后通过压力将金属液渗入中,并强烈搅拌使空心小球分散,最后得到空心球与金属基体形成的多孔金属材料。空心球铸造法的特点是孔径和孔隙率易于控制,材料综合力学性能好。2. 2 粉末冶金法粉末冶金法主要包括粉末烧结发泡法、烧结-脱溶法、松散粉末烧结法、中空球烧结法等。2. 2. 1 粉末烧结发泡法这种工艺[ 12 ]是首先将金属粉末和相应的发泡剂按一定比例均匀混合,发泡剂可以是金属氢化物、半成品,最后将此半成品加热到接近或高于混合物熔点的温度,使发泡剂分解,金属熔化,从而形成多孔泡沫材料。此种方法易于制作近半成品的零件和到颗粒预制块的间隙中,最后将颗粒溶除即可得到通孔结构的多孔金属材料。2. 1. 2 精密铸造法精密铸造法 [8]是首先用耐火材料浆料填满海绵状泡沫塑料的孔隙 ,待耐火材料固化后 ,加热除去塑料 ,即形成一个多孔预制块体。然后把液态金属液浇入到预制块上 ,加压渗流 ,这一点类似于渗流过程。最后再除去耐火材料 ,就形成与原来海绵状塑料结构相同的多孔金属材料。 2. 1. 3 熔融金属发泡法熔融金属发泡工艺可分为两种 ,发泡剂发泡和通气发泡 [9, 10 ]。前者是在熔融的金属液中加入发泡剂 (如 TiH2 ) ;后者则是在金属液中通入气体 (如惰性气体 )。这两种工艺的共同特点是可制备孔隙率高、尺寸大、闭孔结构的多孔金属 ,但过程控制较为复杂 ,孔结构分布均匀性不高。 2. 1. 4 空心球铸造法空心球铸造法 [11 ]的原理是先采用商用酚醛塑料小球在惰性气体环境中加热直至塑料碳化 ,形成中空的小球。然后将这些中空的小球加入到金属液三明治式的复合材料 ,而且孔隙率较高 ,孔分布均匀。 2. 2. 2 烧结 -脱溶法这种制备工艺 [13 ]首先是将金属粉末和可去除填充颗粒均匀混合 ,其中可去除填充颗粒一般包括两类 ,一类为可溶于水或其它溶剂的盐 (如 NaCl等 ),一类为可分解有机物 (如尿素、碳酸氢氨等 ),均混后把混合物压制成致密的半成品 ,然后在一合适的温度烧结。若填充颗粒为可分解有机物 ,则烧结过程中颗粒会分解气化 ;若填充颗粒为可溶性盐 ,则在烧结后可用溶剂将其溶去便得到多孔金属材料。2. 2. 3 松散粉末烧结法松散粉末烧结 [14 ]是把松散状态的金属粉末不经压实直接进行烧结的方法。此种方法可用于生产多孔金属电极。 2. 2. 4 中空球烧结法通过将金属中空球烧结 ,使之扩散结合而制造多孔材料的方法。此方法制造的多孔材料兼有通孔和闭孔。金属中空球可通过下述方法制备 :在球形树脂上化学沉积或电沉积一层金属 ,然后将树脂除 明显的三阶段特征 ,即初始的弹性段 (Linear Elasticity)、中间的平台段 ( Plateau)和最后的致密段 (Densification)。其中 ,平台段的起始点应力称为泡沫材料的屈服或坍塌强度 ,此强度远小于其基体的屈服强度 [1]。当多孔金属材料受到外加载荷时 ,因屈服强度低很容易发生变形 ,而且变形量大、流动应力低 ,在变形过程中通过孔的变形、坍塌、破裂、胞壁摩擦等形式消耗大量能量而不使应力升的。高 ,从而能有效地吸收冲击能。这种在较低应力水形成金属烟。金属烟在自身重力作用及惰性气流的平下吸收大量冲击能的特征正是冲击缓冲所需要携带下沉积和冷却。因其温度低 ,原子难以迁移和扩散 ,故金属烟微粒只是疏散地堆砌起来 ,形成多孔3. 2 高阻尼性能泡沫结构 [16 ]。 多孔金属材料可看作是由三维网络状金属骨架去 ,或将树脂球和金属粉一同混合 ,随后烧结使金属粉结合 ,同时树脂球挥发 [ 15 ]。 2. 3 沉积法沉积法主要包括金属气相蒸发沉积法、原子溅射沉积法和电化学沉积法三种。 2. 3. 1 金属气相蒸发沉积法在较高惰性气氛中 ,缓慢蒸发金属材料 ,蒸发出来的金属原子在前进过程中与惰性气体发生一系列碰撞作用 ,使之迅速失去动能 ,从而部分凝聚起来 ,与高压惰性气体原子碰撞 2. 3. 2 原子溅射沉积法在惰性气体的压力下,元素原子在飞溅路程中,金属原子一方面捕获气体原子 ,另一方面凝聚成金属液滴 ,然后到达衬底。在衬底上获得均匀包裹气体原子的金属体 ,最后在高于金属熔点的温度下把金属加热足够长的时间使捕获的气体膨胀 ,形成多孔金属材料。这种方法的特点是孔结构非常理想 ,但成本昂贵 ,不易制备大件 [ 17 ]。 2. 3. 3 电化学沉积法这种方法是以聚氨基甲酸乙脂发泡材料为骨架 ,进行电解沉积 ,然后加热去除有机聚合物骨架 ,得到多孔金属材料。这种方法制备的多孔材料不但孔隙率高 ,孔分布均匀 ,且孔互相连通呈三维网状结构 [ 18 ]。 3 多孔金属材料的主要性能多孔金属材料作为一类区别于致密材料的新型材料 ,具有一些其基体或母体所不具备的特殊性能和功能 ,主要表现如下 : 3. 1 吸能性能图 4 多孔金属材料典型的压缩应力 -应变曲线多孔金属材料的应力 -应变 (σ -ε)响应具有与孔洞所组成的两相复合材料。除了孔洞与金属基体之间所形成的界面外 ,材料内部还存在其它大量微观的 (主要是位错 )和宏观的 (较小的孔洞和裂纹 )缺陷 ,其组织状态和缺陷分布极不均匀。因此当外力作用于多孔金属材料上时 ,将在基体中产生不均匀的应变 ,特别是在孔洞 (宏观的或微观的 )或裂纹附近 ,其应变情况更为复杂 ,从而引起缺陷区域原子重排。缺陷区的这种响应是粘滞性的 ,因而引起粘滞性应变 ,造成能量的损耗 ,导致材料的阻尼增加。 3. 3 吸声性能多孔金属材料的高孔隙率结构使其具有良好的吸声性能 [19 ]。一般来讲 ,通孔或半通孔多孔金属的吸声效果比闭孔的好。多孔金属材料的吸声机制主要可归为两种 ,即声波经过多孔金属时流动阻力的升高造成的粘性损失以及声波与孔洞表面热量交换造成的热损失。 3. 4 电磁屏蔽、导热和导电性能多孔金属具有良好的导电性和很高的比表面积 ,因此具备很高的电磁屏蔽性能 ,即良好的吸收和反射电磁波的能力。同时又具有良好的导热性能 [ 20, 21 ]。 3. 5 其它性能质轻 ,易着色 ,易加工 ,耐高温。 4 结语 (1)多孔金属材料具有良好的理化性能和力学性能 ,因而可以作为功能材料和结构材料 ,具有良好的应用前景。多孔金属材料的制备工艺很多 ,因而可以满足多样化的需求 ,可以根据不同的应用需求 采用不同的制备工艺。 and energy absorbing characteristic of foamed aluminum. (2)部分制备工艺在结构的可控性、孔径的均Metall[J]. Mater. Trans, 1998 (A29): 2497-2502. 匀性、样品的大尺寸化等方面仍存在局限性 ,因而制[10 ]Cymat Corp, Canada. Product Information Sheets. http: / / 备工艺还需要进一步的探索和完善。 www. cymat. com. (3)随着工业和科技的进步 ,人们对多孔金属[11 ]张勇 ,舒光冀 ,何德坪 .用低压渗流法制备泡沫铝合金 [J ].材料科学进展 , 1993 (7) : 473 -47. 材料的需求量越来越大 ,要求也越来越高 ,但目前的[12]J. Baumeister, J. Banhart, M. Weber[M]. German Pa2研究也只是涉及到了多孔金属材料的一部分性能特terntDE 4426627. 1997. 点 ,相当多的潜在价值尚未被开发出来 MechanicalBehaviorofMetailicFomas[J]. . Mater. Sci, 2000 (30):191-227. Olurin,. ,或仅局限在(44) : 105 -110. [ 14 ]B. C.社,1982. [13]YA Novel sintering processformanufacturingAlfoams[J]. . Y. Zhao, D. X. Sun. -dissolution 实验室阶段 ,因而对性能的研究又提出了新课题。Scr. Mater, 2001 参考文献 : [1]L. J. Gibson, M. F. Ashby. Cellular Solids: Structure and 拉科夫斯基 .工程烧结材料 [M ].冶金工业出版Properties. 2nd ed[M ], Cambridge University Press, UK, 1997. [15]O. Andersen, U. Waag, L. Schneider, G. Stephani, B. [2 ]L. J. Gibson. Kieback. Novel Metallic Hollow Sphere Structures [ J ]. Annu. RevAdv. Eng. 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KeyLaboratoryofMaterialsPhysics, InstituteofSolidStatePhysics, Chinese Academy of Sciences, Hefei, Anhui 230031) Abstract: Porousmetallicmaterialswithuniqueexcellentstructuresandpropertiescanbeutilizedasnew function2 aland structuralmaterials, which indicatsthattheporousmetallicmaterialshaveawidelypromisingapplication in manyfields. Thevariouspopularmanufacturingmethodsandthemainpropertiesoftheporousmetallicmaterials, in the present paper, were summarized. Key words: porousmetallic materials; preparation; properties; ppplication

金刚石钻头破碎岩石过程的效果取决于以下两个方面因素的相互作用:一是金刚石与胎体，二是金刚石与岩石。近三十年来，随着人造金刚石硬岩钻探技术在国内外普及，广大科研工作者和工作在生产第一线的工程师们曾对后者———单粒金刚石与岩石的相互作用，进行过大量而深入的研究。但关于前者———金刚石与胎体的相互作用及其对钻进效果的影响，却研究得很少。

如前所述，在所有情况下，为了破碎岩石金刚石都应首先切入岩石一定的深度。但由人造金刚石制造工艺所决定，在人造金刚石晶体内部必然存在着一定的“先天”缺陷，例如，存在着气孔和含有催化－添加剂的金属溶剂杂质。第一种缺陷(气孔)将影响金刚石的初始强度，而第二种缺陷(含有杂质)将影响钻头烧结过程中(温度达800℃以上)金刚石的最终强度。

可以通过以下途径来消除或削弱这些缺陷对人造金刚石强度的影响:

(1)金刚石表面金属喷镀;

(2)对原始金刚石粉料进行电磁分选;

(3)用活性粘结材料制造胎体。

(一)金属喷镀法工艺及其提高人造金刚石强度的效果

业已确定，金属包覆可提高金刚石的初始强度，在一定程度上防止钻头烧结过程中金刚石受高温的影响，其表皮将起到导热和减振作用。

研究表明，所用的胎体材料越坚硬，金刚石颗粒越容易发生碎裂，如果胎体为硬度50～70HRC的复合材料，则金刚石颗粒发生碎裂的可能性特别大。金刚石颗粒发生碎裂的原因之一是胎体的刚度，因为在这种胎体中金刚石颗粒承受动载的能力很差。

提高钻头工作能力的途径之一是在金刚石上喷镀一层较软的金属，使其颗粒能经受大的动载而不被破坏。

金属喷镀常用钛、钒和铬、钼金属，而最有前景的是金属钼。这种金属能与金刚石中的碳形成高强度、低脆性的碳化物金相。它具有相当低的热膨胀系数，使其比钼包覆层的热应力更小。

金属喷镀包覆与金刚石的接合强度取决于在金刚石和金属之间形成的碳化物薄层厚度(图5－24)。随着碳化物薄层厚度增大，接合强度也增大。但如果厚度增大至80μm以上则效果不明显。

图5－25给出了工具耐磨性与金刚石同包覆层接合强度的关系。可以看出，随着接合强度增大，工具的耐磨性增强。在实验室和生产条件下所获得的关系特征是一样的，只是由于生产条件下情况更复杂，所以耐磨性的增长略缓一些。

图5－24 碳化物薄层厚度与接合强度的关系

图5－25 使用喷镀金属金刚石的钻头相对耐磨性

曾用已喷镀金属和未喷镀金属的人造金刚石制造36mm钻头，并用于在实验室条件下钻进花岗岩的试验，结果如图5－26、图5－27所示。可以看出，随着轴向载荷增大，已喷镀金属和未喷镀金属的人造金刚石钻头功耗同步增大，但在低钻压条件下，未喷镀金属的钻头功耗是的倍，而在较高钻压条件下，两者已基本没有差距。也就是说，如果按生产条件下的钻压值得，则已喷镀金属的钻头功耗指标看不出有多大优越性。但是，图5－27所示的曲线却显示，随着功耗增大，两者的磨损强度虽然都在增大，却有较大的差距。未喷镀金属钻头的磨损程度明显大于已喷镀金属的钻头。这一指标是影响生产实践中钻头进尺(寿命)的非常重要的因素。对于深孔钻进更是如此。

在生产条件下用59mm钻头钻进Ⅸ～Ⅺ级岩石的平均钻头进尺为:不带喷镀金属的金刚石钻头;带喷镀金属的金刚石钻头。

因此，在钻探工具中采用喷镀金属的人造金刚石是提高其使用效果的重要方法。

图5－26 人造金刚石钻头在转速1500r/min条件下钻进功率与轴向载荷的关系

图5－27 人造金刚石钻头磨损强度与钻进功率的关系

(二)电磁分选法工艺及其提高人造金刚石强度的效果

人造金刚石中存在的金属添加剂———杂质，不仅影响其强度，而且还影响其铁磁性能。可以直接把少量人造金刚石颗粒置于磁场中，测出人造金刚石中的铁磁杂质。杂质多的金刚石对较小的磁场强度就会有反应，反之杂质少的金刚石必须在更高的磁场强度下才能被挑选。据此，制造了138Г－СЭМ分选人造金刚石的电磁分选器，可把磁场强度调节到×105A/m，从而直接分选出无磁的人造金刚石晶体。

对比在不同退火温度下人造金刚石的铁磁特性和强度特性指标表明，在原始人造金刚石中虽然存在着金属杂质，但这部分物质往往处于无磁状态。是在退火过程中使这些杂质获得了铁磁特征，而且这种铁磁状态的转换会影响到金刚石的强度。

研究表明，分选单晶人造金刚石时分选器最合适的电流强度值为×105A/m。在该条件下分选后的金刚石具有特别高的强度。

结晶学分析表明，实际上同一批金刚石中有磁和无磁部分在单晶和接合物的成分和颜色上并没有差别(目视对比时有磁部分只是有些发暗，而且与杂质相对含量有关)，但在表面缺陷、外部杂质数量、裂纹和碎裂程度方面却存在着明显差别。

由AC125牌号无磁的原始人造金刚石制成的钻探工具试验结果见表5－16。

表5－16 БС20型钻头的生产试验结果

可以看此，使用无磁人造金刚石做钻头，在Ⅶ～Ⅷ级岩石中可提高钻头进尺60%，在Ⅺ级岩石中可增加钻头进尺倍。

实践证明，引进人造金刚石磁性分选机可以明显提高金刚石粉末的强度均匀性，从而极大地提高钻头寿命。所以，使用无磁人造金刚石来制造钻头是合理的。

批量生产的不同牌号和粒度的人造金刚石粉料经铁磁分选后，具有强度均匀性好，耐热性高的特点。可以把经铁磁分选后的人造金刚石粉料用于制造适应不同条件下钻进的孕镶钻头。

表5－17中列举了用上述方法获得的粒度400/315金刚石粉料的基本特性。所有粉料在强度(P)、表面缺陷程度(Ka)、耐热性(Kct)、颗粒形状(KΦ)等方面都有显著差异，而且粉料的强度均匀性(Kon)明显增长(详见本书第二章的表2－7)。

表5－17中的数据还显示，在不同的每转进尺和转速条件下，钻进指标(功耗N、单位体积破碎功Ay和轴向载荷Pz)与金刚石强度的关系。在金刚石强度增大的情况下，所有这些关系都呈现递减的特性。即，功率消耗、单位体积破碎功和切削力都在下降，这正是我们钻探工作者追求的目标。在这种情况下，我们注意到这样的事实，使用原始粉料的钻头工作指标与用分选出的低强度金刚石所做钻头在一个水平上，而用高强度人造金刚石做的钻头在所有指标上都超过了用原始粉料的钻头。生产试验的结果列于表5－18。

从试验结果可以看出，用强度更大的均质金刚石做的钻头寿命提高了14%～50%，而机械钻速增长并不明显(甚至降低了10%)。

表5－17 用不同强度的原始金刚石和分选后的均质金刚石所做钻头的实验试验结果

表5－18 用不同强度的原始金刚石和分选后的均质金刚石所做钻头在Ⅶ～Ⅷ级岩石中生产试验的结果

在相同的规程参数下钻进速度有所提高，因而金刚石均质性和强度的升高不仅保证钻头寿命比用原始粉料的高，而且改善了孔底岩石破碎过程。

另外科研工作者还注意到，由于人造金刚石单晶具有不同的导电性能，所以制造破岩工具时应选择最适宜具体使用条件和具体制造工艺的金刚石标号。为了使有磁性的人造金刚石粉料能保持较高的原始强度，最好把它们用于不必加热的钻头制造工艺。电镀法就适宜此特点，是很有前景的钻头制造方法之一。这时人造金刚石的导电性能将起重要作用。

胎体的金属离子将同时堆积在金刚石上和钢体端面上，以固定导电金刚石。这时在金刚石上发生的沉淀作用比钢体上更强烈，从而形成了参差不齐的表面，有的地方深浅不同，并含有小孔眼和凸台。

有磁金刚石中的铁磁杂质基本上(50%～70%)分布在晶体内部，因此它们是不导电的。当胎体金属离子在含有导电金刚石的钢体上沉淀时，首先是增厚钢体上的金属，然后才是金刚石。在这种情况下，就可以得到平整的胎体表面，不会有深浅不同和小孔眼。

(三)用粘附活性材料提高人造金刚石在胎体中的固定强度

理论与实践研究表明，使用机械性能好，对金刚石具有粘附活性的专用材料，不仅可增大钻头切削部分的金刚石饱和度，而且可同时调整金刚石颗粒的固定强度和胎体硬度，完全不必使用昂贵的钨、碳化钨、钴等材料。

乌克兰超硬材料研究所曾制成不含钨的金刚石复合材料KIAM，其熔化温度为900℃。为了保证金刚石颗粒与合金能很好地接触，熔化在真空中进行。熔合的表面相互接触可促使形成坚固的结合。KIAM是一种多用途的功能材料，其不同牌号的性能相互差别明显。胎体的硬度可以在HRB75～HRC35之间变化。

为了获得金刚石特性与胎体性能相互适应的体系，需要满足两个相反的要求:一是为了有效地传递载荷应保证两者分界面上有可靠的连接;二是为了防止钻头胎体在孔底工作过程中遭受破坏，两者分界面上所形成的反应区厚度又要尽量薄。制作胎体时，采用对金刚石具有活性粘附作用的专用材料，便可以满足上述要求。这时两者中间的碳化物层厚度不超出40～50nm(图5－28)。

图5－28 温度对反应区厚度和金刚石－胎体连接强度的影响

在用铜浸渍法制造БА型钻头的过程中，采用粒径250/200μm的细粒人造金刚石和以无钨活性粘附材料KIAM为基础的胎体粘结材料，可以使金刚石的出刃平均值达66μm。为了对比，我们引用参考文献中给出的人造金刚石凸出于БС01型批量钻头(胎体用铜浸渍法制造，其主要成分为YG6硬质合金)的平均值。关于金刚石数量分布与出刃大小的关系见图5－29。

图5－29 АС50金刚石在БС01和БА钻头胎体出刃的分布情况

图5－30、图5－31给出了由KIAM和YG6硬质合金胎体材料制成的钻头破碎花岗岩的功耗和胎体磨损强度的结果。用两种材料制成的钻头胎体具有类似的变化曲线，破岩功耗都随机械钻深增大而减小，磨损强度则呈相反的趋势。但用新型复合材料KIAM胎体的这两项性能均优于传统的YG6硬质合金胎体。

图5－30 在每转进深恒定为60μm，机械钻速各异的条件下，БА和БС01钻头破碎花岗岩的功耗

图5－31 在每转进深恒定为60μm的条件下，БА和БС01钻头金刚石层的磨损强度与机械钻速的关系

对比直径59mm的БА10钻头(用KIAM材料)和БС01钻头(用YG6材料)生产试验结果(表5－19)，可以看出，用KIAM材料制造胎体的钻头使用效果优于含钨胎体的钻头性能。在钻进同一级别岩石的生产实践中，前者比后者的平均钻头进尺提高了45%，而平均机械钻速提高了30%，对于坚硬的Ⅸ～Ⅹ级岩石而言，其钻探指标是令人满意的。

表5－19 生产条件下的钻头试验结果

分析上述数据可以得出结论，通过对人造金刚石进行补充加工的办法(金属喷镀，电磁分选等)可提高钻探工具的使用效果;同时利用粘附活性合金材料作为胎体，可保持胎体中的金刚石用到完全磨损为止。所有这些措施，包括用电镀方法制造钻探工具，都可最大限度地使人造金刚石粉料得到充分利用。

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钻石大小和品质频率分布，包括钻石的大小、颜色、晶体形态、表面形貌、质量分布（干净程度）等特征是可以指示特定产矿区钻石整体特征。由于不同矿区产出钻石的统计特征不相同，这些特征成为帮助判断钻石产地来源重要的基础之一。这些特征通常也被钻石开采公司采用来校准他们的产品，如机械故障或失窃等产生问题的判断。事实上，一些非常有经验的钻石贸易行家常常可以根据钻石毛坯的这些基本特征就能够非常准确判断出某些钻石的产地（通常是相对有限的区域内），2008年金伯利进程证书制度钻石专家工作组研制了分析毛坯钻石特征的方法，对科特迪瓦的Bobi 和 Tortiya矿区钻石的大小、晶体形态、质量分布特征进行了统计（Kimberly Process/Chairs report to the Plenary on the activites of KPCS，2008）。2009年金伯利进程呈交了对加纳钻石特征的统计，对于阻止科特迪瓦的冲突钻石起到了明显作用（Kimberley Process，2009）。

通过对项目实验研究用样品和矿区开采样品的观察和统计分析，并结合前人的研究资料，可以得出以下结论：

（1）湖南地区砂矿金刚石普遍粒度较小，并在沅水流域显示分段富集的特点，平均粒度和重量较山东和辽宁地区小，而山东金刚石的粒度和重量分布都具有较大的差异。

（2）湖南地区砂矿金刚石以带有磨圆特征的完整晶体居多，完整度也最高，为，辽宁和山东地区金刚石的晶体完整度比例不及湖南地区，其中辽宁金刚石的晶体完整度又较山东金刚石晶体高。总的来说，山东钻石的晶形完整度最差，不规则晶体和碎块约占40%。根据前人研究资料：山东地区钻石破碎率约为55%；辽宁地区钻石晶体晶形多数完整；湖南地区钻石晶体完整度约为86%，单形高达96%以上；这与本文的研究样品的晶形和晶体完整度统计结果基本一致，说明本报告在实验研究样品的选取方面基本和历史资料符合，有一定的代表性。

（3）辽宁金刚石晶形的完整度比例最高。罗声宣等（1999）认为金伯利岩中的金刚石晶体包括完整晶体和原生碎块（破碎面上有蚀象）两种，金伯利岩中的金刚石在选矿过程中，平均产生的次生机械破碎，一个完整的金刚石晶体可分裂成两个或两个以上的次生碎块。因此，金伯利岩中金刚石的完整晶体，实际上比统计数据要多得多，同时，大粒级金刚石的含量，实际上比统计数据要高得多。因此，前文中对于辽宁和山东地区金伯利岩原生钻石的大小、完整度统计结果也可能存在一定的片面性。但是综合历史及现在对湖南、山东和辽宁质量特征的数据，还是可以显示出有一定代表性的差异：湖南金刚石的质量大小具有稳定性，而山东、辽宁金刚石的质量大小相对参差不齐，其中山东最参差。

（4）辽宁和湖南矿区宝石级金刚石产出相对较多，山东矿区宝石级金刚石含量较少，这和过去钻石贸易中我国辽宁钻石的平均价格在三个产地中最高（基本上可以接近非洲国家最好质量钻石的水平）（丘志力，2000）相一致。根据历史资料及本项目的观察调研，三个产地钻石毛坯的质量（重量）及完整性的对比见图，图。

图 中国三个产地钻石毛坯的质量（重量）对比图

Figure Comparison chart of rough diamond weights of the three diamond fields in China

图 中国三个产地钻石毛坯的完整性对比图

Figure Comparison chart of rough diamond intactness of the three diamond fields in China

总之，山东金刚石的粒度最大，质量（重量）变化也最大；湖南钻石相对较小，质量（重量）变化小，完整性最好；辽宁钻石晶形完整度比例最高，宝石级钻石的含量最高。

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金刚石锯片磨损机理研究论文

金刚石圆锯片在切割石材的过程中，会受到离心力、锯切力、锯切热等交变载荷的作用。由于力效应和温度效应而引起金刚石圆锯片的磨破损。力效应：在锯切过程中，锯片要受到轴向力和切向力的作用。由于在圆周方向和径向存在力的作用，使得锯片在轴向呈波浪状，在径向呈碟状。这两种变形都会造成岩石切面不平直、石材浪费多、锯切时噪音大、振动加剧，造成金刚石结块早期破损、锯片寿命降低。温度效应：传统理论认为：温度对锯片过程的影响主要表现在两个方面：一是导致结块中的金刚石石墨化；二是造成金刚石与胎体的热应力而导致金刚石颗粒过早脱落。新研究表明：切割过程中产生的热量主要传入结块。弧区温度不高，一般在40～120℃之间。而磨粒磨削点温度却较高，一般在250～700℃之间。而冷却液只降低弧区的平均温度，对磨粒温度却影响较小。这样的温度不致使石墨炭化，却会使磨粒与工件之间摩擦性能发生变化，并使金刚石与添加剂之间发生热应力，而导致金刚石失效机理发生根本性变化。研究表明，温度效应是使锯片破损的最大影响因素。磨破损：由于力效应和温度较应，锯片经过一段时间的使用往往会产生磨破损。磨破损的形式主要有以下几种：磨料磨损、局部破碎、大面积破碎、脱落、结合剂沿锯切速度方向的机械擦伤。磨料磨损：金刚石颗粒与式件不断摩擦，棱边钝化成平面，失去切削性能，增大摩擦。锯切热会使金刚石颗粒表面出现石墨化薄层，硬度大大降低，加剧磨损：金刚石颗粒表面承受交变的热应力，同时还承受交变的切削应力，就会出现疲劳裂纹而局部破碎，显露出锐利的新棱边，是较为理想的磨损形态；大面积破碎：金刚石颗粒在切入切出时承受冲击载荷，比较突出的颗粒和晶粒过早消耗掉；脱落：交变的切削力使金刚石颗粒在结合剂中不断的被晃动而产生松动。同时，锯切过程中的结合剂本身的磨损和锯切热使结合剂软化。这就使结合剂的把持力下降，当颗粒上的切削力大于把持力时，金刚石颗粒就会脱落。无论哪一种磨损都与金刚石颗粒所承受的载荷和温度密切相关。而这两者都取决于锯切工艺和冷却润滑条件。

金刚石解理现象是金刚石刀具磨损与崩刃是由于在加工过程中出现热应力集中而引起的。根据查询相关公开信息显示，金刚石材料本身的低热膨胀系数和较大的硬度，在进行加工时会形成大的热应力及应力集中的区域，从而导致金刚石刀具的崩刃和磨损。

金刚石论文参考文献

钻石大小和品质频率分布，包括钻石的大小、颜色、晶体形态、表面形貌、质量分布（干净程度）等特征是可以指示特定产矿区钻石整体特征。由于不同矿区产出钻石的统计特征不相同，这些特征成为帮助判断钻石产地来源重要的基础之一。这些特征通常也被钻石开采公司采用来校准他们的产品，如机械故障或失窃等产生问题的判断。事实上，一些非常有经验的钻石贸易行家常常可以根据钻石毛坯的这些基本特征就能够非常准确判断出某些钻石的产地（通常是相对有限的区域内），2008年金伯利进程证书制度钻石专家工作组研制了分析毛坯钻石特征的方法，对科特迪瓦的Bobi 和 Tortiya矿区钻石的大小、晶体形态、质量分布特征进行了统计（Kimberly Process/Chairs report to the Plenary on the activites of KPCS，2008）。2009年金伯利进程呈交了对加纳钻石特征的统计，对于阻止科特迪瓦的冲突钻石起到了明显作用（Kimberley Process，2009）。

通过对项目实验研究用样品和矿区开采样品的观察和统计分析，并结合前人的研究资料，可以得出以下结论：

（1）湖南地区砂矿金刚石普遍粒度较小，并在沅水流域显示分段富集的特点，平均粒度和重量较山东和辽宁地区小，而山东金刚石的粒度和重量分布都具有较大的差异。

（2）湖南地区砂矿金刚石以带有磨圆特征的完整晶体居多，完整度也最高，为，辽宁和山东地区金刚石的晶体完整度比例不及湖南地区，其中辽宁金刚石的晶体完整度又较山东金刚石晶体高。总的来说，山东钻石的晶形完整度最差，不规则晶体和碎块约占40%。根据前人研究资料：山东地区钻石破碎率约为55%；辽宁地区钻石晶体晶形多数完整；湖南地区钻石晶体完整度约为86%，单形高达96%以上；这与本文的研究样品的晶形和晶体完整度统计结果基本一致，说明本报告在实验研究样品的选取方面基本和历史资料符合，有一定的代表性。

（3）辽宁金刚石晶形的完整度比例最高。罗声宣等（1999）认为金伯利岩中的金刚石晶体包括完整晶体和原生碎块（破碎面上有蚀象）两种，金伯利岩中的金刚石在选矿过程中，平均产生的次生机械破碎，一个完整的金刚石晶体可分裂成两个或两个以上的次生碎块。因此，金伯利岩中金刚石的完整晶体，实际上比统计数据要多得多，同时，大粒级金刚石的含量，实际上比统计数据要高得多。因此，前文中对于辽宁和山东地区金伯利岩原生钻石的大小、完整度统计结果也可能存在一定的片面性。但是综合历史及现在对湖南、山东和辽宁质量特征的数据，还是可以显示出有一定代表性的差异：湖南金刚石的质量大小具有稳定性，而山东、辽宁金刚石的质量大小相对参差不齐，其中山东最参差。

（4）辽宁和湖南矿区宝石级金刚石产出相对较多，山东矿区宝石级金刚石含量较少，这和过去钻石贸易中我国辽宁钻石的平均价格在三个产地中最高（基本上可以接近非洲国家最好质量钻石的水平）（丘志力，2000）相一致。根据历史资料及本项目的观察调研，三个产地钻石毛坯的质量（重量）及完整性的对比见图，图。

图 中国三个产地钻石毛坯的质量（重量）对比图

Figure Comparison chart of rough diamond weights of the three diamond fields in China

图 中国三个产地钻石毛坯的完整性对比图

Figure Comparison chart of rough diamond intactness of the three diamond fields in China

总之，山东金刚石的粒度最大，质量（重量）变化也最大；湖南钻石相对较小，质量（重量）变化小，完整性最好；辽宁钻石晶形完整度比例最高，宝石级钻石的含量最高。

本章参考文献

陈征，买潇，陈令霞. 2003. 辽宁瓦房店金刚石矿参观纪实[J].宝石和宝石学杂志，（4）:37.

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多孔金属材料的制备工艺及性能分析多领域有着广泛的应用前景。本文概述了多孔金属材料的常用制备方法及其主要性能。关键词:多孔金属材料;制备;性能;应用摘 要 :多孔金属材料是一种性能优异的新型功能材料和结构材料 ,具有独特的结构和性能 ,在很科学家极大的兴趣 ,成为材料类研究的热点方向之1 引言一 ,自 20世纪 90年代以来 ,美国的哈佛大学、英国在传统的金属材料中 ,孔洞 (宏观的或微观的 )的剑桥大学、德国的 Fraunhofer材料研究所、日本的被认为是一种缺陷 ,因为它们往往是裂纹形成和扩东京大学等对多孔金属材料的制备工艺和性能进行展的中心 ,对材料的理化性能及力学性能产生不利了广泛的研究 ,获得了一批研究成果 [2-5]。在我国 ,的影响。但是 ,当材料中的孔洞数量增加到一定程多孔金属材料的基础和应用研究也逐步得到重视和度时 ,材料就会因孔洞的存在而产生一些奇异的功发展。近年来 ,研究队伍不断壮大 ,在制备技术、结能 ,从而形成一类新的材料 ,这就是多孔金属材料。构和物性等方面的基础研究以及在各种民用和国防按照孔之间是否连通 ,可以把多孔金属材料分为闭领域的应用研究均取得了一定的进展 ,已经引起我孔和通孔两类 ,如图 1所示。该类材料具有良好的国政府、中科院和航空航天等部门的高度重视 ,尤其吸能性能、高阻尼性能、吸声性能、电磁屏蔽性能及值得一提的是 ,我国在 2005年立项的国家重大基础良好的导热导电性能 [1] ,因而在一般工业领域 (如研究计划 (973计划 )“超轻多孔材料和结构创新构汽车工业 )、国防科技领域及环境保护领域等有着型的多功能化基础研究 ” ,更是体现了对该类材料广泛的应用前景 ,它的设计、开发和应用引起了中外研究的重要性和迫切性。水化物等,然后将均混的混合物压制成密实块体即到目前为止 ,已开发的制备多孔金属的方法很多 ,涉及到的领域也非常广。根据在制备过程中金属所处的状态 ,可将多孔金属的制备工艺分为以下三类 :液相法、粉末烧结法和沉积法。 2. 1 液相法液相法包括的种类比较多 ,且较易制备大块的多孔金属和产品易商业化 ,成为多孔金属材料制备的主要手段,液相法主要包括以下几种: 2. 1. 1 颗粒渗流法颗粒渗流法[ 6 ]原理是首先将颗粒在模具内压实,烘干形成预制块。然后通过压力将金属液渗入中,并强烈搅拌使空心小球分散,最后得到空心球与金属基体形成的多孔金属材料。空心球铸造法的特点是孔径和孔隙率易于控制,材料综合力学性能好。2. 2 粉末冶金法粉末冶金法主要包括粉末烧结发泡法、烧结-脱溶法、松散粉末烧结法、中空球烧结法等。2. 2. 1 粉末烧结发泡法这种工艺[ 12 ]是首先将金属粉末和相应的发泡剂按一定比例均匀混合,发泡剂可以是金属氢化物、半成品,最后将此半成品加热到接近或高于混合物熔点的温度,使发泡剂分解,金属熔化,从而形成多孔泡沫材料。此种方法易于制作近半成品的零件和到颗粒预制块的间隙中,最后将颗粒溶除即可得到通孔结构的多孔金属材料。2. 1. 2 精密铸造法精密铸造法 [8]是首先用耐火材料浆料填满海绵状泡沫塑料的孔隙 ,待耐火材料固化后 ,加热除去塑料 ,即形成一个多孔预制块体。然后把液态金属液浇入到预制块上 ,加压渗流 ,这一点类似于渗流过程。最后再除去耐火材料 ,就形成与原来海绵状塑料结构相同的多孔金属材料。 2. 1. 3 熔融金属发泡法熔融金属发泡工艺可分为两种 ,发泡剂发泡和通气发泡 [9, 10 ]。前者是在熔融的金属液中加入发泡剂 (如 TiH2 ) ;后者则是在金属液中通入气体 (如惰性气体 )。这两种工艺的共同特点是可制备孔隙率高、尺寸大、闭孔结构的多孔金属 ,但过程控制较为复杂 ,孔结构分布均匀性不高。 2. 1. 4 空心球铸造法空心球铸造法 [11 ]的原理是先采用商用酚醛塑料小球在惰性气体环境中加热直至塑料碳化 ,形成中空的小球。然后将这些中空的小球加入到金属液三明治式的复合材料 ,而且孔隙率较高 ,孔分布均匀。 2. 2. 2 烧结 -脱溶法这种制备工艺 [13 ]首先是将金属粉末和可去除填充颗粒均匀混合 ,其中可去除填充颗粒一般包括两类 ,一类为可溶于水或其它溶剂的盐 (如 NaCl等 ),一类为可分解有机物 (如尿素、碳酸氢氨等 ),均混后把混合物压制成致密的半成品 ,然后在一合适的温度烧结。若填充颗粒为可分解有机物 ,则烧结过程中颗粒会分解气化 ;若填充颗粒为可溶性盐 ,则在烧结后可用溶剂将其溶去便得到多孔金属材料。2. 2. 3 松散粉末烧结法松散粉末烧结 [14 ]是把松散状态的金属粉末不经压实直接进行烧结的方法。此种方法可用于生产多孔金属电极。 2. 2. 4 中空球烧结法通过将金属中空球烧结 ,使之扩散结合而制造多孔材料的方法。此方法制造的多孔材料兼有通孔和闭孔。金属中空球可通过下述方法制备 :在球形树脂上化学沉积或电沉积一层金属 ,然后将树脂除 明显的三阶段特征 ,即初始的弹性段 (Linear Elasticity)、中间的平台段 ( Plateau)和最后的致密段 (Densification)。其中 ,平台段的起始点应力称为泡沫材料的屈服或坍塌强度 ,此强度远小于其基体的屈服强度 [1]。当多孔金属材料受到外加载荷时 ,因屈服强度低很容易发生变形 ,而且变形量大、流动应力低 ,在变形过程中通过孔的变形、坍塌、破裂、胞壁摩擦等形式消耗大量能量而不使应力升的。高 ,从而能有效地吸收冲击能。这种在较低应力水形成金属烟。金属烟在自身重力作用及惰性气流的平下吸收大量冲击能的特征正是冲击缓冲所需要携带下沉积和冷却。因其温度低 ,原子难以迁移和扩散 ,故金属烟微粒只是疏散地堆砌起来 ,形成多孔3. 2 高阻尼性能泡沫结构 [16 ]。 多孔金属材料可看作是由三维网络状金属骨架去 ,或将树脂球和金属粉一同混合 ,随后烧结使金属粉结合 ,同时树脂球挥发 [ 15 ]。 2. 3 沉积法沉积法主要包括金属气相蒸发沉积法、原子溅射沉积法和电化学沉积法三种。 2. 3. 1 金属气相蒸发沉积法在较高惰性气氛中 ,缓慢蒸发金属材料 ,蒸发出来的金属原子在前进过程中与惰性气体发生一系列碰撞作用 ,使之迅速失去动能 ,从而部分凝聚起来 ,与高压惰性气体原子碰撞 2. 3. 2 原子溅射沉积法在惰性气体的压力下,元素原子在飞溅路程中,金属原子一方面捕获气体原子 ,另一方面凝聚成金属液滴 ,然后到达衬底。在衬底上获得均匀包裹气体原子的金属体 ,最后在高于金属熔点的温度下把金属加热足够长的时间使捕获的气体膨胀 ,形成多孔金属材料。这种方法的特点是孔结构非常理想 ,但成本昂贵 ,不易制备大件 [ 17 ]。 2. 3. 3 电化学沉积法这种方法是以聚氨基甲酸乙脂发泡材料为骨架 ,进行电解沉积 ,然后加热去除有机聚合物骨架 ,得到多孔金属材料。这种方法制备的多孔材料不但孔隙率高 ,孔分布均匀 ,且孔互相连通呈三维网状结构 [ 18 ]。 3 多孔金属材料的主要性能多孔金属材料作为一类区别于致密材料的新型材料 ,具有一些其基体或母体所不具备的特殊性能和功能 ,主要表现如下 : 3. 1 吸能性能图 4 多孔金属材料典型的压缩应力 -应变曲线多孔金属材料的应力 -应变 (σ -ε)响应具有与孔洞所组成的两相复合材料。除了孔洞与金属基体之间所形成的界面外 ,材料内部还存在其它大量微观的 (主要是位错 )和宏观的 (较小的孔洞和裂纹 )缺陷 ,其组织状态和缺陷分布极不均匀。因此当外力作用于多孔金属材料上时 ,将在基体中产生不均匀的应变 ,特别是在孔洞 (宏观的或微观的 )或裂纹附近 ,其应变情况更为复杂 ,从而引起缺陷区域原子重排。缺陷区的这种响应是粘滞性的 ,因而引起粘滞性应变 ,造成能量的损耗 ,导致材料的阻尼增加。 3. 3 吸声性能多孔金属材料的高孔隙率结构使其具有良好的吸声性能 [19 ]。一般来讲 ,通孔或半通孔多孔金属的吸声效果比闭孔的好。多孔金属材料的吸声机制主要可归为两种 ,即声波经过多孔金属时流动阻力的升高造成的粘性损失以及声波与孔洞表面热量交换造成的热损失。 3. 4 电磁屏蔽、导热和导电性能多孔金属具有良好的导电性和很高的比表面积 ,因此具备很高的电磁屏蔽性能 ,即良好的吸收和反射电磁波的能力。同时又具有良好的导热性能 [ 20, 21 ]。 3. 5 其它性能质轻 ,易着色 ,易加工 ,耐高温。 4 结语 (1)多孔金属材料具有良好的理化性能和力学性能 ,因而可以作为功能材料和结构材料 ,具有良好的应用前景。多孔金属材料的制备工艺很多 ,因而可以满足多样化的需求 ,可以根据不同的应用需求 采用不同的制备工艺。 and energy absorbing characteristic of foamed aluminum. (2)部分制备工艺在结构的可控性、孔径的均Metall[J]. Mater. Trans, 1998 (A29): 2497-2502. 匀性、样品的大尺寸化等方面仍存在局限性 ,因而制[10 ]Cymat Corp, Canada. Product Information Sheets. http: / / 备工艺还需要进一步的探索和完善。 www. cymat. com. (3)随着工业和科技的进步 ,人们对多孔金属[11 ]张勇 ,舒光冀 ,何德坪 .用低压渗流法制备泡沫铝合金 [J ].材料科学进展 , 1993 (7) : 473 -47. 材料的需求量越来越大 ,要求也越来越高 ,但目前的[12]J. Baumeister, J. Banhart, M. Weber[M]. German Pa2研究也只是涉及到了多孔金属材料的一部分性能特terntDE 4426627. 1997. 点 ,相当多的潜在价值尚未被开发出来 MechanicalBehaviorofMetailicFomas[J]. . Mater. Sci, 2000 (30):191-227. Olurin,. ,或仅局限在(44) : 105 -110. [ 14 ]B. C.社,1982. [13]YA Novel sintering processformanufacturingAlfoams[J]. . Y. Zhao, D. X. Sun. -dissolution 实验室阶段 ,因而对性能的研究又提出了新课题。Scr. Mater, 2001 参考文献 : [1]L. J. Gibson, M. F. Ashby. Cellular Solids: Structure and 拉科夫斯基 .工程烧结材料 [M ].冶金工业出版Properties. 2nd ed[M ], Cambridge University Press, UK, 1997. [15]O. Andersen, U. Waag, L. Schneider, G. Stephani, B. [2 ]L. J. Gibson. Kieback. Novel Metallic Hollow Sphere Structures [ J ]. Annu. RevAdv. Eng. 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KeyLaboratoryofMaterialsPhysics, InstituteofSolidStatePhysics, Chinese Academy of Sciences, Hefei, Anhui 230031) Abstract: Porousmetallicmaterialswithuniqueexcellentstructuresandpropertiescanbeutilizedasnew function2 aland structuralmaterials, which indicatsthattheporousmetallicmaterialshaveawidelypromisingapplication in manyfields. Thevariouspopularmanufacturingmethodsandthemainpropertiesoftheporousmetallicmaterials, in the present paper, were summarized. Key words: porousmetallic materials; preparation; properties; ppplication

金刚石钻头破碎岩石过程的效果取决于以下两个方面因素的相互作用:一是金刚石与胎体，二是金刚石与岩石。近三十年来，随着人造金刚石硬岩钻探技术在国内外普及，广大科研工作者和工作在生产第一线的工程师们曾对后者———单粒金刚石与岩石的相互作用，进行过大量而深入的研究。但关于前者———金刚石与胎体的相互作用及其对钻进效果的影响，却研究得很少。

如前所述，在所有情况下，为了破碎岩石金刚石都应首先切入岩石一定的深度。但由人造金刚石制造工艺所决定，在人造金刚石晶体内部必然存在着一定的“先天”缺陷，例如，存在着气孔和含有催化－添加剂的金属溶剂杂质。第一种缺陷(气孔)将影响金刚石的初始强度，而第二种缺陷(含有杂质)将影响钻头烧结过程中(温度达800℃以上)金刚石的最终强度。

可以通过以下途径来消除或削弱这些缺陷对人造金刚石强度的影响:

(1)金刚石表面金属喷镀;

(2)对原始金刚石粉料进行电磁分选;

(3)用活性粘结材料制造胎体。

(一)金属喷镀法工艺及其提高人造金刚石强度的效果

业已确定，金属包覆可提高金刚石的初始强度，在一定程度上防止钻头烧结过程中金刚石受高温的影响，其表皮将起到导热和减振作用。

研究表明，所用的胎体材料越坚硬，金刚石颗粒越容易发生碎裂，如果胎体为硬度50～70HRC的复合材料，则金刚石颗粒发生碎裂的可能性特别大。金刚石颗粒发生碎裂的原因之一是胎体的刚度，因为在这种胎体中金刚石颗粒承受动载的能力很差。

提高钻头工作能力的途径之一是在金刚石上喷镀一层较软的金属，使其颗粒能经受大的动载而不被破坏。

金属喷镀常用钛、钒和铬、钼金属，而最有前景的是金属钼。这种金属能与金刚石中的碳形成高强度、低脆性的碳化物金相。它具有相当低的热膨胀系数，使其比钼包覆层的热应力更小。

金属喷镀包覆与金刚石的接合强度取决于在金刚石和金属之间形成的碳化物薄层厚度(图5－24)。随着碳化物薄层厚度增大，接合强度也增大。但如果厚度增大至80μm以上则效果不明显。

图5－25给出了工具耐磨性与金刚石同包覆层接合强度的关系。可以看出，随着接合强度增大，工具的耐磨性增强。在实验室和生产条件下所获得的关系特征是一样的，只是由于生产条件下情况更复杂，所以耐磨性的增长略缓一些。

图5－24 碳化物薄层厚度与接合强度的关系

图5－25 使用喷镀金属金刚石的钻头相对耐磨性

曾用已喷镀金属和未喷镀金属的人造金刚石制造36mm钻头，并用于在实验室条件下钻进花岗岩的试验，结果如图5－26、图5－27所示。可以看出，随着轴向载荷增大，已喷镀金属和未喷镀金属的人造金刚石钻头功耗同步增大，但在低钻压条件下，未喷镀金属的钻头功耗是的倍，而在较高钻压条件下，两者已基本没有差距。也就是说，如果按生产条件下的钻压值得，则已喷镀金属的钻头功耗指标看不出有多大优越性。但是，图5－27所示的曲线却显示，随着功耗增大，两者的磨损强度虽然都在增大，却有较大的差距。未喷镀金属钻头的磨损程度明显大于已喷镀金属的钻头。这一指标是影响生产实践中钻头进尺(寿命)的非常重要的因素。对于深孔钻进更是如此。

在生产条件下用59mm钻头钻进Ⅸ～Ⅺ级岩石的平均钻头进尺为:不带喷镀金属的金刚石钻头;带喷镀金属的金刚石钻头。

因此，在钻探工具中采用喷镀金属的人造金刚石是提高其使用效果的重要方法。

图5－26 人造金刚石钻头在转速1500r/min条件下钻进功率与轴向载荷的关系

图5－27 人造金刚石钻头磨损强度与钻进功率的关系

(二)电磁分选法工艺及其提高人造金刚石强度的效果

人造金刚石中存在的金属添加剂———杂质，不仅影响其强度，而且还影响其铁磁性能。可以直接把少量人造金刚石颗粒置于磁场中，测出人造金刚石中的铁磁杂质。杂质多的金刚石对较小的磁场强度就会有反应，反之杂质少的金刚石必须在更高的磁场强度下才能被挑选。据此，制造了138Г－СЭМ分选人造金刚石的电磁分选器，可把磁场强度调节到×105A/m，从而直接分选出无磁的人造金刚石晶体。

对比在不同退火温度下人造金刚石的铁磁特性和强度特性指标表明，在原始人造金刚石中虽然存在着金属杂质，但这部分物质往往处于无磁状态。是在退火过程中使这些杂质获得了铁磁特征，而且这种铁磁状态的转换会影响到金刚石的强度。

研究表明，分选单晶人造金刚石时分选器最合适的电流强度值为×105A/m。在该条件下分选后的金刚石具有特别高的强度。

结晶学分析表明，实际上同一批金刚石中有磁和无磁部分在单晶和接合物的成分和颜色上并没有差别(目视对比时有磁部分只是有些发暗，而且与杂质相对含量有关)，但在表面缺陷、外部杂质数量、裂纹和碎裂程度方面却存在着明显差别。

由AC125牌号无磁的原始人造金刚石制成的钻探工具试验结果见表5－16。

表5－16 БС20型钻头的生产试验结果

可以看此，使用无磁人造金刚石做钻头，在Ⅶ～Ⅷ级岩石中可提高钻头进尺60%，在Ⅺ级岩石中可增加钻头进尺倍。

实践证明，引进人造金刚石磁性分选机可以明显提高金刚石粉末的强度均匀性，从而极大地提高钻头寿命。所以，使用无磁人造金刚石来制造钻头是合理的。

批量生产的不同牌号和粒度的人造金刚石粉料经铁磁分选后，具有强度均匀性好，耐热性高的特点。可以把经铁磁分选后的人造金刚石粉料用于制造适应不同条件下钻进的孕镶钻头。

表5－17中列举了用上述方法获得的粒度400/315金刚石粉料的基本特性。所有粉料在强度(P)、表面缺陷程度(Ka)、耐热性(Kct)、颗粒形状(KΦ)等方面都有显著差异，而且粉料的强度均匀性(Kon)明显增长(详见本书第二章的表2－7)。

表5－17中的数据还显示，在不同的每转进尺和转速条件下，钻进指标(功耗N、单位体积破碎功Ay和轴向载荷Pz)与金刚石强度的关系。在金刚石强度增大的情况下，所有这些关系都呈现递减的特性。即，功率消耗、单位体积破碎功和切削力都在下降，这正是我们钻探工作者追求的目标。在这种情况下，我们注意到这样的事实，使用原始粉料的钻头工作指标与用分选出的低强度金刚石所做钻头在一个水平上，而用高强度人造金刚石做的钻头在所有指标上都超过了用原始粉料的钻头。生产试验的结果列于表5－18。

从试验结果可以看出，用强度更大的均质金刚石做的钻头寿命提高了14%～50%，而机械钻速增长并不明显(甚至降低了10%)。

表5－17 用不同强度的原始金刚石和分选后的均质金刚石所做钻头的实验试验结果

表5－18 用不同强度的原始金刚石和分选后的均质金刚石所做钻头在Ⅶ～Ⅷ级岩石中生产试验的结果

在相同的规程参数下钻进速度有所提高，因而金刚石均质性和强度的升高不仅保证钻头寿命比用原始粉料的高，而且改善了孔底岩石破碎过程。

另外科研工作者还注意到，由于人造金刚石单晶具有不同的导电性能，所以制造破岩工具时应选择最适宜具体使用条件和具体制造工艺的金刚石标号。为了使有磁性的人造金刚石粉料能保持较高的原始强度，最好把它们用于不必加热的钻头制造工艺。电镀法就适宜此特点，是很有前景的钻头制造方法之一。这时人造金刚石的导电性能将起重要作用。

胎体的金属离子将同时堆积在金刚石上和钢体端面上，以固定导电金刚石。这时在金刚石上发生的沉淀作用比钢体上更强烈，从而形成了参差不齐的表面，有的地方深浅不同，并含有小孔眼和凸台。

有磁金刚石中的铁磁杂质基本上(50%～70%)分布在晶体内部，因此它们是不导电的。当胎体金属离子在含有导电金刚石的钢体上沉淀时，首先是增厚钢体上的金属，然后才是金刚石。在这种情况下，就可以得到平整的胎体表面，不会有深浅不同和小孔眼。

(三)用粘附活性材料提高人造金刚石在胎体中的固定强度

理论与实践研究表明，使用机械性能好，对金刚石具有粘附活性的专用材料，不仅可增大钻头切削部分的金刚石饱和度，而且可同时调整金刚石颗粒的固定强度和胎体硬度，完全不必使用昂贵的钨、碳化钨、钴等材料。

乌克兰超硬材料研究所曾制成不含钨的金刚石复合材料KIAM，其熔化温度为900℃。为了保证金刚石颗粒与合金能很好地接触，熔化在真空中进行。熔合的表面相互接触可促使形成坚固的结合。KIAM是一种多用途的功能材料，其不同牌号的性能相互差别明显。胎体的硬度可以在HRB75～HRC35之间变化。

为了获得金刚石特性与胎体性能相互适应的体系，需要满足两个相反的要求:一是为了有效地传递载荷应保证两者分界面上有可靠的连接;二是为了防止钻头胎体在孔底工作过程中遭受破坏，两者分界面上所形成的反应区厚度又要尽量薄。制作胎体时，采用对金刚石具有活性粘附作用的专用材料，便可以满足上述要求。这时两者中间的碳化物层厚度不超出40～50nm(图5－28)。

图5－28 温度对反应区厚度和金刚石－胎体连接强度的影响

在用铜浸渍法制造БА型钻头的过程中，采用粒径250/200μm的细粒人造金刚石和以无钨活性粘附材料KIAM为基础的胎体粘结材料，可以使金刚石的出刃平均值达66μm。为了对比，我们引用参考文献中给出的人造金刚石凸出于БС01型批量钻头(胎体用铜浸渍法制造，其主要成分为YG6硬质合金)的平均值。关于金刚石数量分布与出刃大小的关系见图5－29。

图5－29 АС50金刚石在БС01和БА钻头胎体出刃的分布情况

图5－30、图5－31给出了由KIAM和YG6硬质合金胎体材料制成的钻头破碎花岗岩的功耗和胎体磨损强度的结果。用两种材料制成的钻头胎体具有类似的变化曲线，破岩功耗都随机械钻深增大而减小，磨损强度则呈相反的趋势。但用新型复合材料KIAM胎体的这两项性能均优于传统的YG6硬质合金胎体。

图5－30 在每转进深恒定为60μm，机械钻速各异的条件下，БА和БС01钻头破碎花岗岩的功耗

图5－31 在每转进深恒定为60μm的条件下，БА和БС01钻头金刚石层的磨损强度与机械钻速的关系

对比直径59mm的БА10钻头(用KIAM材料)和БС01钻头(用YG6材料)生产试验结果(表5－19)，可以看出，用KIAM材料制造胎体的钻头使用效果优于含钨胎体的钻头性能。在钻进同一级别岩石的生产实践中，前者比后者的平均钻头进尺提高了45%，而平均机械钻速提高了30%，对于坚硬的Ⅸ～Ⅹ级岩石而言，其钻探指标是令人满意的。

表5－19 生产条件下的钻头试验结果

分析上述数据可以得出结论，通过对人造金刚石进行补充加工的办法(金属喷镀，电磁分选等)可提高钻探工具的使用效果;同时利用粘附活性合金材料作为胎体，可保持胎体中的金刚石用到完全磨损为止。所有这些措施，包括用电镀方法制造钻探工具，都可最大限度地使人造金刚石粉料得到充分利用。

玛瑙的宝石学特征及研究论文摘要

中国最贵奇石“血胆金莲”，由香港著名收藏家珍藏，价格亿元人民币。

（又名血胆鱼），是产自内蒙古阿拉善大漠在内部含有天然红色胆液的玛瑙石鱼，由于其神秘稀罕在古代被作为崇拜对象，视为圣物，慕礼之极，而从地质成因来说也是少之又少，在自然界中出现的机率极低，可谓价值连城，而真正能见“血胆”之人更是廖廖无几。

各处细部特征生动,尤其头部更为出彩,对光观赏内部各器官栩栩如生;从石底部看,红色胆液又正好在内部构成了一尾灵动育孕于腹腔的小红鲤,头两侧自然裹进的对称小黑点形成了鱼眼,当慢慢转动石时会出现不同的变化,令人不得不惊叹大自然的鬼斧神工,而且其为出自于内蒙阿拉善大漠之中,在自然环境极端恶劣及苛刻条件下出现如此形态的玛瑙可谓是空前绝后。

艺术大师们采用经典宫廷风格，以及对大自然造化之崇拜、慕礼之理念，精心制作了由此奇石《血胆金莲》（查看百度百科词条） 为核心的超级黄金装置（约25公斤）艺术品。在佛龛形宝盒状塔内，几乎将千百年来民间及文人墨客最为乐道、传颂的鱼文化内容体现得淋漓尽致，浓缩其中，以五面一体为元素，把看似不相干的历史典故巧妙地融于一体，堪称奇绝。“方池如鉴碧溶溶，锦鲤游扬逐浪中；竚看三春烟水暖，好观一跃化神龙”。发丝大小的近千条金链条接天联地，不时地在灯光中摇曳闪动，尤如微风细雨，几条祥龙或登云上天或潜跃水中，场景热烈而灵动；两侧精美的四联条名胜山海微雕景致，树木飞鸟、水波蔺草、人物走兽、亭台楼阁一一俱全，微妙微俏；在其背侧，有一轮似日似月玉轮从江上浮起，光含万顷秋，啸云万里抟，气势磅礴，不知那些展着翅膀的鸿雁能否飞出此地；底部的湖面，布满着大大小小形态各异、优雅多姿的荷花、苞蕾，错落有致根植于波光粼粼的水中，东南西北的莲叶都有鱼群在戏嬉，探头藏尾的看似其乐无穷，行到之处碧纹荡漾，滟水成文，可谓如歌如画；装置正中心是层层卷起的巨浪，小小的龙门似乎已被淹没其中，然唯有此红鲤能顺势跃过而终将化为龙。该作品所有的元素构建出了神话般的感觉，以独特的立体布局及外部的进一步修饰，营造出奇幻的空间隐喻，把文明古国的传统文化元素融入装置造型的语言之中，创建出无边的幻想领域以及精妙且瞬逝的瞬间，以喻我们的家国吉祥安和、丰稔昌盛的美好愿望。

世界上最贵的宝石是“血胆金莲”，被视为上天圣物。

血胆玛瑙是世界上最贵、最完美奇石了，也就是“血胆金莲”，乃自然界与人类无法突破的“鱼中有鱼”、“石中有胆”、“胆中有血”传奇。

中国四大顶级奇石价值排行            （其产地均为内蒙阿拉善大沙漠）

1，血胆金莲（亿元）；

2，东坡肉石  (亿元）；

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在搞清楚这个问题之前，我们先来看关于宝石的定义。宝石在我们眼中就是精美、贵重、稀有的，从广义上来讲的话，宝石是石头中最美贵重的稀少资源，狭义上包括玉石和宝石两大类别，狭义的宝石指自然产出的单晶矿物体或者化合物，玉石则是指单矿物或多矿物所组成的集合体的多晶质的岩石。宝石一般应该具备三个条件和因素，美观是首要的，颜色要纯正无暇，还要有耐久性，能够持久耐磨，保持良好的稳定性；其次，还需要有一定的珍稀度，俗语说“物以稀为贵”，所以宝石多数是稀有资源。 我们平常说的玛瑙，其实就是指具有纹带构造的玉髓， 这种玉髓透明度极好，呈现出玻璃的亮光。目前而言，全世界的玛瑙产量非常大，在珍稀度上没有什么优势可言，不过市场中出现的玛瑙颜色多样，外观性比较好。而且人们一般喜欢佩戴玛瑙制作的首饰佩戴，因为玛瑙对人体有诸多功效。综合而言，大部分玛瑙属于中低档宝石，价格并不昂贵，少数玛瑙品种稀少珍贵，价值不菲。 查看原帖>>

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