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聚晶金剛石複合材料是將聚晶金剛石薄層附著黏結在硬質合金襯底上的複合材料。聚晶金剛石複合片兼有聚晶金剛石極高的耐磨性以及硬質合金的高抗衝擊性。金剛石層刃口鋒利而且具有自銳性，能夠始終保持切削刃的銳利，因此非常適用於石油和地質鑽探中的軟地層直至中硬地層的勘探，效果非常好。聚晶金剛石複合片中的金剛石含量高達99%，故金剛石層硬度極高、耐磨性極好，其努氏硬度為6.5×104~7.0×104MPa，甚至更高。
「
硬質合金基體克服了聚晶金剛石硬而脆的不足，大大提高了產品整體的抗衝擊韌性。硬質合金的易焊接性則解決了聚晶金剛石很難通過焊接方法與其他材料結合的難題，可以使聚晶金剛石複合片豎直鑲焊在鑽頭上。聚晶金剛石複合片因自身性能優越，國內外競相研製和生產，從而品種規格日益繁多，如圖1所示。
」
主要特性：
1 ) 具有極高的硬度。聚晶金剛石的硬度為HV7500~9000，僅次於天然金剛石。而且其硬度和耐磨性各向同性，不需選向。其強度由於有韌性較高的硬質合金支撐，複合抗彎強度可達1500 MPa。
2 ) 具有很高的耐磨性。聚晶金剛石的耐磨性一般為硬質合金的60~80倍。在切削硬度較高(>HV1500)的非金屬材料時，耐用度極高。
3) 具有較低的摩擦因數。聚晶金剛石與有色金屬的摩擦因 數為0.1~0.3，而硬質合金與有色金屬的摩擦因數是0.3~0.6。由聚晶金剛石(簡稱PCD)材料製作的PCD刀具，與硬質合金刀具相比可降低切削力和切削溫度約1/2~1/3。
4) 具有很高的導熱性。聚晶金剛石的導熱係數是硬質合金的1.5~7倍，可以大大降低切削區的溫度，提高刀具耐用度。
5) 具有較小的膨脹係數。聚晶金剛石的線膨脹係數很小，約為一般鋼的1/10。另外，因為刀刃鋒利，已加工表面加工硬化程度僅為硬質合金刀具的1/3左右，所以加工精度好。
6) 可以根據需要製作成各種尺寸和形狀。
7) 表現出比單晶金剛石明顯優越的韌性和抗衝擊性能，在一定程度上彌補了單晶金剛石脆性大、易解理破裂的缺點。
發展簡史：
人們對製造聚晶金剛石的設想大概來源於對天然「卡布納多」金剛石的認識——這種金剛石由無數微小的金剛石顆粒組成，含有少量的雜質，顆粒呈無序排列、無解理面，具有很高的硬度、強度和耐磨性，在自然界很稀少。
從20世紀60 年代起，美國與前蘇聯的科學家就嘗試人工合成「卡布納多」。
1964 年GE 公司的Delai 首次以「某些金屬添加劑能使金剛石與金剛石之間產生直接結合」申請了美國專利。
1966 年Blainley 等人提出用親和性金屬為結合劑製取金剛石聚結體。
1967 年前蘇聯斯拉烏季契的金剛石與硬質合金的混合燒結體以及由石墨相變聚結的人造「巴拉斯」和人造「卡布納多」的報告相繼發表。
1970 年美國Hall 和Stromberg 完成燒結金剛石的試驗。
1971年katzman 公布金剛石微粒通過鈷融熔再結晶聚結的報告。
1971 年GE 公司發明了由硬質合金支撐的聚晶金剛石複合片(簡稱PDC)。
1972—1973 年正式用於商品化生產，起初應用於機械加工刀具。
1976年正式向市場提供石油、地質鑽頭專用系列產品。
1981 年該產品獲美國近海技術工程特別貢獻獎。
在英國，De Bees 公司於1977 年研製成功適合於機械加工用的PDC，1983年向市場出售石油、地質鑽頭專用系列PDC 產品。
而美國的合成公司於1983 年才進入PDC 市場，經過卓有成效的研發工作及堅持不懈的努力，使其產品的耐磨性、抗衝擊性大為提高，從而在1997 年成為了鑽井PDC 市場份額的領先者。
另外美國的梅加金剛石公司、丹尼斯工具以及鳳凰晶體公司也分別向鑽頭公司及其他鑽井工具服務公司或一些定向的終端用戶提供PDC、牙輪鑽頭專用的一些異形PDC 齒及軸承用PDC。
多年來PDC 在諸多應用領域的卓越表現證明，這無疑是材料科學領域具有劃時代意義的發明。
主要分類：
結合劑類型的不同導致聚晶金剛石的顯微組織結構中金剛石相的結合方式及其性能出現明顯差異。劃分聚晶金剛石類型對實際應用具有重要意義。從合成工藝、產品宏觀特性及顯微結構特點的角度出發，聚晶金剛石可以分為三種類型。
1) 生長-燒結型聚晶金剛石。
金剛石顆粒被燒結在一起，晶粒之間界面上以金剛石—金剛石鍵合方式結合，金剛石相形成整體的剛性骨架結構。作為燒結助劑的鐵族金屬或合金則以孤島形態彌散分布在骨架內。該類聚晶金剛石常用的結合劑是Co或Co合金、Ni或Ni合金。燒結過程中以金剛石顆粒長大和顆粒間燒結頸的生長為主，該種聚晶金剛石具有耐磨性好、硬度高等特點，但其熱穩定性較差，耐熱溫度一般在700℃左右。圖2為生長-燒結型聚晶金剛石的顯微組織示意圖。
2) 燒結型聚晶金剛石。
結合相主要是碳化物相，它將金剛石顆粒包覆結結在一起，形成典型的粉末冶金液相燒結材料的顯微組織結構，見圖3。常用的結合劑有Si、Ti、Si-Ti、Si-Ni、Si-Ti-B等。燒結型聚晶金剛石有很好的耐熱性，耐熱溫度可達1200℃。與生長-燒結型聚晶金剛石相比，其耐磨性較差，但成本低，對於一些對耐磨性要求不高或對耐熱性要求較高的應用場合燒結型聚晶金剛石有其優勢。
3) 生長型聚晶金剛石。
以石墨和觸媒金屬為原料，在超高壓高溫條件下使石墨轉變為金剛石，並依靠金剛石的生長使金剛石顆粒燒結在一起。由於石墨不能完全轉變，聚晶金剛石的性能很難控制。該種類型的聚晶金剛石僅限實驗室試製，還未見商品化產品。
製造工藝：
聚晶金剛石和金剛石複合片一般由靜態超高壓-高溫方法製造，所用設備主要有六面頂金剛石專用液壓機和年輪式兩面頂壓機，這些超高壓設備與合成人造金剛石單晶所用設備完全相同。
1) 聚晶金剛石和金剛石複合片生產工藝流程，見圖4和圖5。
圖5 聚晶金剛石和金剛石複合片生產工藝流程
2) 靜態超高壓設備。
目前生產聚晶金剛石和金剛石複合片的靜態超高壓設備有兩種類型：中國(包括少部分國外廠家)普遍採用鉸鏈式六面頂超高壓設備(或稱作六面頂壓機)作為主要設備；國外則主要採用年輪式兩面頂壓超高壓設備(或稱作兩面頂壓機)。六面頂超高壓設備生產聚晶金剛石或金剛石複合片的優點是：產生的壓力場更接近水靜壓力，合成腔內的應力場狀態更為合理；機器工作效率高，設備造價相對低廉。缺點是合成腔體大型化困難。兩面頂超高壓設備生產聚晶金剛石或金剛石複合片的優點是：壓力和溫度的控制精度較高；合成腔體大型化易於實現，適合於生產大尺寸產品或單次合成多個產品。缺點是設備運行成本高。
性能指標：
1) 耐磨性。
聚晶金剛石作為切削或鑽削工具材料使用時，其耐磨性與工具的壽命具有直接的對應關係，因此耐磨性成為聚晶金剛石最重要的性能指標。聚晶金剛石的耐磨性通常用磨耗比來表示。目前聚晶金剛石磨耗比的測定方法採用的是行業標準「人造金剛石燒結體磨耗比測定方法」。
2) 熱穩定性。
熱穩定性也被稱為耐熱性，一般用耐熱溫度表示，是指聚晶金剛石要保持性能基本不變所能承受的最高熱處理溫度。熱穩定性是聚晶金剛石重要的性能指標之一，它涉及到製作聚晶金剛石工具的工藝過程以及工具的使用環境，是工具製造者必須重點考慮的性能參數。加工製造時所用溫度過高或工具在過高溫度下使用，都會使聚晶金剛石工具使用效果變差。
3) 抗衝擊韌性。
抗衝擊韌性是指聚晶金剛石或金剛石複合片在衝擊載荷作用下不發生破壞的最大能力。該性能指標對於聚晶金剛石工具能否發揮其具有硬度高、耐磨性好、壽命長等特點至關重要。
4) 抗彎強度。
採用三點彎曲試驗測定聚晶金剛石的抗彎強度。聚晶金剛石試樣可以製成棒狀，也可以是圓片狀。
5) 硬度。
聚晶金剛石的硬度值很高，僅次於單晶金剛石，一般用努氏(Knoop)硬度來測量。
6) 導電性。
一般來講，聚晶金剛石導電性不是很好，電阻值很大。普通的電火花加工設備很難勝任對聚晶金剛石的加工，必須有專用的電火花加工電源才能夠獲得可以接受的加工速度。即使如此，專用電火花設備加工聚晶金剛石仍比普通電火花設備加工金屬材料要慢很多。
7) 耐腐蝕性。
生長-燒結型聚晶金剛石在酸液或鹼液中長時間加熱處理後，其力學性能(硬度、耐磨性等)基本保持不變。生長-燒結型聚晶金剛石在強酸處理後，由於作為結合劑的金屬相與酸反應後從聚晶金剛石(簡稱PCD)中被浸出，PCD的導電性明顯下降。
燒結型聚晶金剛石的主相金剛石和結合相碳化物都具有耐酸鹼腐蝕的特性。聚晶金剛石在酸液或鹼液中長時間加熱處理後，其力學性能和物理性能基本保持不變。
應用領域：
1) 聚晶金剛石鑽頭。
適用於石油鑽探、地質勘探的小直徑聚晶金剛石鑽頭(圖6)成本相比於天然金剛石非常低廉，且耐磨性高。
2) 聚晶金剛石噴嘴。
目前五金和機械行業進行噴砂噴丸加工時普遍使用的是氧化鋁陶瓷噴嘴、硬質合金噴嘴和碳化硼噴嘴。由聚晶金剛石材料製成的噴嘴比普通材料噴嘴的壽命提高了10~200倍，獲得了前所未有的長使用壽命。採用聚晶金剛石噴嘴能夠大幅降低材料消耗，明顯提高工作效率，還可以大大減少市場對陶瓷磨料和碳化物的需求，具有明顯的節能和環保的社會效益。聚晶金剛石噴嘴具有性能可靠、壽命極長的特點，適用於很多耐磨性要求高的場合。同時因為具有耐酸、耐鹼、耐腐蝕的特點，聚晶金剛石噴嘴還適用於水切割、酸鹼液噴口、泥漿噴射口等場合，市場和應用前景極為可觀。
3) 金剛石複合片止推軸承。
螺桿鑽具是石油鑽井中以泥漿為動力的一種井下動力鑽具。新型螺桿鑽具的傳動軸總成採用了硬質合金徑向軸承和金剛石複合片的平面止推軸承(圖7)，使其壽命更長承載能力更高。
4) 石材加工。
將鑽探用金剛石複合片切割成四方形或長條形應用於軟石材的開採和切割工具，可以得到更高的加工效率。
5) 其他耐磨器件的應用。
聚晶金剛石用於電子元器件貼片封裝貼片機的吸嘴、要求高耐磨的V形槽表面、要求高耐磨或低粗糙度的模具或夾具部件等都取得了好的使用效果。
未來發展方向：
1) 聚晶金剛石和金剛石複合片的尺寸大型化。
隨著生產技術的進步和應用領域的不斷拓展，可能對聚晶金剛石和金剛石複合片工具或刀具的尺寸大型化要求會越來越強烈。目前，某些國外公司可批量生產直徑達50.8~ 80.0 mm的規格產品。甚至有國外廠家聲稱已製造出可以商品化的直徑120 mm的金剛石複合片。
近年來，國內刀具用金剛石複合片生產技術研究也取得了長足的進步，目前市場上已可提供最大直徑尺寸達40~50 mm規格的質量優良的產品。聚晶金剛石和金剛石複合片的尺寸大型化能夠擴大其應用範圍，加工出更多或形狀更複雜的小單元。更重要的是對於刀具和拉絲模這類用途，大直徑產品可以大大降低聚晶金剛石和金剛石複合片小單元的成本，將更受歡迎。
2) 聚晶金剛石和金剛石複合片的晶粒細化。
金剛石晶粒細化可以顯著提高材料的抗彎強度，同時使金剛石複合片工具獲得更低的加工表面粗糙度。目前的切削刀具用金剛石複合片和拉拔工具用聚晶金剛石的金剛石晶粒度都在微米級水平。對亞微米級甚至更細的聚晶金剛石的研究已有二、三十年歷史，大部分研究採用的是爆炸法。雖有一定的研究成果，但整個研究水平未見明顯提高。另外，因為其製作的高難度和性能的局限，至今還未出現廣泛的應用。
晶粒的細化會給聚晶金剛石帶來更好、更特別的性能，因此它仍然是未來聚晶金剛石發展的方向。近十幾年來納米技術的蓬勃發展，也促使專家學者關注並投入到納米晶粒度多晶金剛石的研究中。工業應用也一直期待著由穩定的製造工藝得到穩定的納米聚晶金剛石產品。
3) 金剛石複合片層間內界面的新型結構設計。
非平面結合是指硬質合金基體與聚晶金剛石層間採用波浪形、鋸齒形等曲面結合，後來又進一步發展為台階形、同心圓、螺旋、間斷的圓弧或其他更複雜的立體幾何形式結合。這些措施在一定程度上提高了複合片的機械結合強度，降低了硬質合金基體與聚晶金剛石層間的殘餘應力，提高了鑽齒的整體抗衝擊強度，取得了很好的使用效果。
通過有限元計算可以得到不同形狀層間內界面下金剛石複合片的殘餘應力分布，從而判斷所設計的層間內界面結構是否合理。從20世紀90年代起，金剛石複合片石油鑽齒出現了非平面結合的革命性改變。因此，如何設計出更合理更有效的界面結構，是改進和提高金剛石複合片性能質量的重要技術，也是未來金剛石複合片的研究發展方向之一。
4) 金剛石複合片表面狀態的改性研究。
20世紀90年代中後期，開始大量採用鏡面拋光的鑽探用金剛石複合片鑽齒。經過拋光的金剛石表面被認為更有利於金剛石複合片鑽齒的排屑，降低了金剛石複合片鑽頭髮生泥包的概率，能夠明顯提高鑽進速度，延長鑽頭使用壽命。將金剛石複合片中的鈷去除可以提高耐熱性的研究早在20世紀80年代已有報道。美國NOV公司重新利用該成果近幾年推出脫鈷金剛石複合片，並得到專利保護。
脫鈷金剛石複合片是將金剛石複合片表面深約0.3 mm的鈷相從金剛石相間去除，消除了金剛石複合片工作在較高溫度下鈷的危害作用，大大提高了金剛石複合片鑽齒的耐磨性，據稱可以比未脫鈷的金剛石複合片壽命提高三倍。
5) 異型端面金剛石複合片技術研究。
鑽探用外齒型金剛石複合片鑽齒是將金剛石複合片鑽齒的金剛石端面由平面改為齒面，齒面可以是波浪形、鋸齒形或梯形。焊接金剛石複合片鑽頭時應使金剛石端面上異型溝槽指向岩石面，在岩石鑽探工作中帶溝槽鑽齒的工作部位(刃口)逐漸形成了一排「牙齒」，這排齒的切岩能力和效果要遠勝過平面無齒的金剛石複合片鑽齒，而且這種效果基本上可以一直保持到整個鑽齒失效。用這種新型鑽齒製作成鑽頭，可以明顯改進金剛石複合片鑽齒的破岩效率，特別是對付軟弱型岩層，解決了金剛石複合片易打滑的技術難題。
6) 少添加或無添加黏結相聚晶金剛石技術的研究。
在少添加乃至無添加黏結相的條件下，將金剛石燒結在一起，是超高壓合成聚晶金剛石(PCD)研究領域專家學者長期以來要實現的目標。自從透明的聚晶立方氮化硼研製成功以來，一直期待著純的、一定厚度的透明PCD能夠誕生。因為純PCD不但會在工具材料的性能上產生飛躍，也會在功能材料上迎來廣闊的應用空間。
免責聲明：本文整理自賈成廠、李尚劼的《聚晶金剛石複合片》，其原創性以及文中表達的觀點和判斷不代表愛銳網，愛銳網本著傳播知識、有益學習和研究的目的進行摘錄，僅供讀者參考交流，如有著作權人或出版方提出異議，將立即刪除。如果您對文章轉載有任何疑問請告之我們，以便我們及時糾正。
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