金刚石微粉的生产及应用浅析
2020-12-18 17:42:20
金刚石微粉是指颗粒度细于60微米的金刚石颗粒，有单晶金刚石微粉和多晶金刚石微粉两种类型。单晶金刚石微粉是由人造金刚石单晶磨粒，经过粉碎、整形处理，采用特殊的工艺方法生产。多晶金刚石微粉是利用独特的定向爆破法由石墨制得，高爆速炸药定向爆破的冲击波使金属飞片加速飞行，撞击石墨片从而导致石墨转化为多晶金刚石。金刚石微粉硬度高、耐磨性好，可广泛用于切削、磨削、钻探等。是研磨抛光硬质合金、陶瓷、宝石、光学玻璃等高硬度材料的理想原料。金刚石微粉制品是利用金刚石微粉加工制成的工具和构件。
金刚石微粉就其粒度而言它属于微米、亚微米及纳米粉体。与粗粒粉体相比，其比表面积和比表面官能团明显增大，因而在生产过程中，颗粒相互之间的作用力大为增加。另外，随着粒度的细化，颗粒本身的缺陷减少，强度必然增大。由此可见，金刚石微粉的生产过程存在相当大的难度，它不仅仅是颗粒细化的过程，同时还伴随着晶体结构和表面物理化学性质等变化。所以说金刚石微粉的生产工艺是一个涉及机械、粉体工程、力学、物理化学、现代仪器与测试技术等多学科的工程技术问题。
一、金刚石微粉生产设备
金刚石微粉是由粗颗粒单晶金刚石经过破碎、分级而得。用球磨机对金刚石破碎加工来生产金刚石微粉是最常用的方法，球磨破碎法在我国金刚石微粉生产中已使用了许多年，曾经取得了较为满意的效果。但由于存在生产效率低的缺点，目前已被气流粉碎机所取代，气流粉碎机是以压缩空气为工作介质，压缩空气通过特殊的超音速喷嘴向粉碎室高速喷射，该气流携带物料高速运动，使物料与物料之间产生强烈碰撞、磨擦与剪切从而达到粉碎的目的。气流粉碎机最大的优点是不受机械线速度的限制，能够产生很高的气流速度，特别是超音速气流粉碎机能产生数倍于音速的流速，因而能产生巨大的动能，比较容易获得微米级和亚微米级的超细粉体。从粉碎原理上说，这种机型用于金刚石微粉的生产是较有发展前景的。
金刚石粉体的力度分级工艺
粒度分级是金刚石微粉生产工艺中很重要的一道工序。它涉及金刚石微粉的生产效率和质量，目前国内最为广泛使用的一种金刚石微粉粒度分级法是自然沉降法和离心法相结合的工艺生产微粉。自然沉降法是一种直接应用斯托克斯定律的分选方法，根据同一比重的颗粒因粒径不同在水中沉降速度亦不同的原理，通过控制其沉降高度和沉降时间来分级粒度，虽然设备简单、操作容易、质量稳定，但生产周期较长、劳动效率低下。为此，国内外不少厂家研究出自动化的分级设备，采用计算机技术和变频控制技术，设置有自动搅拌、自动抽料、自动水循环和计算机控制四大系统，全数字化设计，控制精确，节能省电，具有人工无法比拟的高效率、高可靠性和良好的操控性。比人工分选效率可提高10～20倍，具有自动化程度高、分选速度快、分选精度准、无杂质污染、无人为因素干扰、产品品质稳定性强、重现性好、工人劳动强度小、企业劳动力成本低、一次性投料量大的十大显著优点。符合了微粉产业未来发展的方向。
几种类型金刚石微粉用途简介
传统金刚石微粉可分为两大类，多晶金刚石微粉和单晶金刚石微粉。随着纳米技术的快速发展，在原有的两大类金刚石微粉中又独立出了一个新类型：纳米金刚石微粉。它们各自的主要用途请参考下文。
多晶金刚石微粉
多晶金刚石是在爆炸形成的瞬态强冲击波作用下合成的。它是以纳米晶构成的微米和亚微米级聚晶，聚晶由于各向同性，无解理面，抗冲击，抗弯强度高，因此它既具有超硬材料的硬度，同时又兼有纳米材料超常的高强度和高韧性。其双重优点构成了其独一无二的物理性能，在高新技术产业和传统支柱产业中有重要的应用。
用途：主要运用于芯片光学晶体\超精细加工、大型硅片超精抛光、表面改性等领域，球状聚晶金刚石微粉外观灰黑色，略呈金属光泽。
单晶金刚石微粉
单晶金刚石微粉晶体形状为规则、完整的六-八面体，有很高的强度、韧性和很好的热稳定性，抗冲击能力强。主要用途有：适用于电镀制品、砂轮、磨轮的制造，用于高档石材的抛光、雕刻、汽车玻璃、高档家具、陶瓷、硬质合金、磁性材料的加工等。
纳米金刚石微粉
纳米金刚石微粉不但具有金刚石的固有特性，而且具有小尺寸效应、大比表面积效应、量子尺寸效应等，因而展现出纳米材料的特性。在爆轰波中合成的这种金刚石具有立方组织结构，晶格常数为(0.3562+0.0003)nm，晶体密度为3.1g/cm3，比表面积为300m2／g～390m2／g。在不同的化学处理后，金刚石表面可形成多种不同的官能团，这种金刚石晶体具有很高的吸附能力。
纳米级金刚石其它用途:
A、配制高级研磨膏和抛光液，用于超精细加工石英、光学玻璃、半导体、合金和金属表面。
B、配制催化剂：纳米级金刚石和无定形碳，有很大的比表面积，含有各式各样的表面官能团，活性很强，用其配制催化剂，可提高活性数据促进有机化合物的相互作用。
C、制备纳米复合结构材料：把纳米级金刚石与纳米硅粉、纳米陶瓷和各种纳米金属复合，可制造出新型的纳米结构材料，因其独特的性能，可制造半导体器件，集成电路元件和微机零件。
随着金刚石工具制造业的日益成熟以及中国经济的快速增长，我国在金刚石微粉的市场需求也在高速增长。工具制造技术的进步，也对上游的金刚石微粉行业提出了更高的要求。由于不同结晶状态不同粒型的金刚石微粉各具有其本身的特点，国内少数厂家已经能够根据金刚石微粉用途不同生产不同类型的金刚石微粉。例如：刀具片（PCD）、树脂结合剂磨具、金属结合剂制品、研磨膏专用金刚石微粉等等。这是我国金刚石微粉行业升级调整产品结构，向高端专用化发展，追赶世界先进水平的重要步骤。
（ ：终吉）