專利名稱：碳納米管-金剛石-硬質合金復合材料及其制法和應用的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種碳納米管增強的金剛石-硬質合金復合材料。其為高強度、 高耐磨性復合材料。
背景技術：
沖擊式鑿巖方法由于具有高效低耗的特點，廣泛地運用于采礦、地質、水 電、交通、建材等部門，成為鉆掘工程的主要破巖手段。但傳統的硬質合金鑿 巖工具耐磨性較差，特別是在鉆進堅硬巖石層時，效率較低，且鉆孔容易產生 "縮徑"。調査顯示，由于硬質合金柱齒的磨損而使鉆頭的報廢比率高達40%， 且巖石越硬，這一比率越高。人們嘗試將金剛石的高耐磨性與硬質合金的高強 度結合在一起，制成耐磨抗沖擊的金剛石復合材料，以提高鉆頭、釬頭(潛孔 錘鉆頭)壽命及鉆進效率。但金剛石的加入導致了金剛石-硬質合金復合材料強 度、韌性急劇降低，使金剛石-硬質合金復合材料還難以在鉆掘工程中得到實際 應用，其中金剛石分布區域是復合材料的主要強度薄弱區、裂紋丌始區，
依據纖維增強理論，采用碳納米管增強金剛石-硬質合金復合材料，大幅度 提高其強度、韌性，并提高硬度。碳納米管增強金剛石-硬質合金復合材料，既 有纖維增強理論常規的裂紋橋聯、裂紋偏轉、拔出效應等機理，亦有其特殊的 一面。(1)從材料力學來看，金剛石是導致金剛石-硬質合金復合材料強度、韌 性低的主要原因，碳納米管跨越金剛右薄弱區，即能起到增強作用。(2)從斷 裂力學來看，碳納米管橫跨金剛石所引起的裂紋尖端，能減弱尖端裂紋擴展， 提高斷裂韌性。(3)從空間結構上看，碳納米管在空間內的搭接、交叉、聯絡、 分散成類似立體網狀；碳納米管的管狀結構、很大的長細比，利于與粘接劑結 合，且碳納米管的高強性能，使其在燒結體內成為一個高強部分。

發明內容
一種碳納米管增強的金剛石-硬質合金復合材料:通過熱壓或等離子電火花等 燒結工藝制造而成，該材料為高強度、高耐磨性復合材料。利用纖維增強理論， 加入適量碳納米管，大幅度提高金剛石-硬質合金復合材料的強度、韌性，提高
幅度24.9%以上，并提高了硬度，提高幅度5.1%以上。該碳納米管-金剛石-硬質 合金復合材料作為超硬部分用以制造各類礦山、油田鉆頭用硬質合金齒，及其 它類型耐磨構件。常規的金剛石-硬質合金復合齒，是以硬質合金作為柱體基體， 以金剛石-硬質合金復合材料作為超硬冠部，因二者之間的強度、韌性差異較大， 常產生超硬冠部脫層、掉帽等現象。本發明材料應用于鉆頭齒的制造根據生 產需要，確定對齒的性能要求，然后通過對金剛石濃度與復合材料性能之間的 關系、金剛石與碳化鎢粒度之比與復合材料性能之間的關系、纖維增韌作用、 超硬部分與柱體部分之間的含鈷量差異及二部分之間的弧面(球冠面)界面設 計等手段，使超硬部分與柱體基體之間的強度、韌性基本接近，克服了脫層、 掉帽等難題。
具體實施例方式
該復合材料的制造方法在制造含金剛石的各類硬質合金復合材料時，加入 質量分數不超過0.6%的碳納米管，采用熱壓(或等離子電火花)燒結工藝，生 產出碳納米管增強金剛石/硬質合金類復合材料。
配方質量分數0.1%-0.5%碳納米管，金剛石濃度》30%，粘結劑3%-25%
(采用熱壓燒結時，粘結劑為鈷+鎳+磷，鈷鎳磷=8 : 3 : 0.5;采用等離子
電火花燒結時，粘結劑為鈷)，其余為碳化鎢。
制造工藝(1)先將碳納米管純化、分散；(2)再將碳納米管、金剛石、碳
化鎢粉料、鈷粉、鎳粉、磷等充分混和均勻(采用等離子電火花燒結時，將碳
納米管、金剛石、碳化鎢粉料、鈷粉等充分混和均勻)；(3)然后將混和好的粉 料裝于模具內進行燒結，熱壓燒結工藝參數為燒結溫度1030-1060'C，燒結壓 力20-55MPa,保溫保壓時間3-5分鐘。等離子電火花燒結工藝參數為燒結溫 度《1200'C，燒結壓力《55MPa，保溫保壓時間》3分鐘。
在制造各類礦山、油田鉆頭用硬質合金齒時，將碳納米管增強金剛石-硬質 合金復合材料作為超硬冠部，用于鉆鑿巖石。
權利要求
1.一種碳納米管增強的金剛石-硬質合金復合材料該材料為高強度、高耐磨性復合材料。
2. 復合材料的制備方法利用纖維增強理論，在制造各類含金剛石的硬質合金 復合材料時，加入質量分數不超過0.6%的碳納米管，采用熱壓(或等離子電火 花)燒結工藝，生產出碳納米管增強金剛石/硬質合金復合材料。
3. 該碳納米管增強的金剛石-硬質合金復合材料作為超硬部分用以制造各類礦山、油田鉆頭用硬質合金齒，作為齒的高強耐磨冠部，并應用于其它類型耐磨 構件。
全文摘要
一種碳納米管增強的金剛石-硬質合金復合材料該材料為高強度、高耐磨性復合材料。利用纖維增強理論，加入適量碳納米管，大幅度提高金剛石-硬質合金復合材料的強度、韌性，提高幅度24.9％以上，并提高了硬度，提高幅度5.1％。復合材料的制備方法在制造含金剛石各類硬質合金復合材料時，加入質量分數不超過0.6％的碳納米管，采用熱壓(或等離子電火花)燒結工藝，生產出碳納米管增強金剛石-硬質合金類復合材料。該碳納米管增強的金剛石-硬質合金復合材料作為超硬部分用以制造各類礦山、油田鉆頭用硬質合金齒，及其它類型耐磨構件。
文檔編號C22C29/00GK101191169SQ20061014497
公開日2008年6月4日 申請日期2006年11月27日 優先權日2006年11月27日
發明者張祖培, 彭新明 申請人:彭新明;張祖培