1.本發(fā)明屬于無機(jī)非金屬材料領(lǐng)域，涉及一種新型碳材料及其制備方法。

背景技術(shù)：

2.高性能結(jié)構(gòu)材料是指在材料強(qiáng)度、抗變形性、輕質(zhì)性、耐腐蝕性、材料加工效率、可持續(xù)性和多功能性等方面比傳統(tǒng)材料具有更高性能的材料，在電子、機(jī)械、化工、電子通信等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

3.其中，導(dǎo)電陶瓷是材料研究的一個(gè)備受關(guān)注的領(lǐng)域，因?yàn)樗鼈冊(cè)诒３至藱C(jī)械性能的基礎(chǔ)上，比傳統(tǒng)的非導(dǎo)電陶瓷材料表現(xiàn)出更多的功能性，并且更易于加工。綜合以上優(yōu)點(diǎn)，它們?cè)谏鐣?huì)和技術(shù)的新發(fā)展中發(fā)揮著重要作用。傳統(tǒng)意義上的陶瓷，如al2o3、zro2、b4c和si3n4等，它們中的化學(xué)鍵主要是共價(jià)鍵和離子鍵，因而在室溫下表現(xiàn)出高強(qiáng)度和絕緣性能。然而，這也給傳統(tǒng)陶瓷(非導(dǎo)電陶瓷)的加工帶來了巨大的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的陶瓷加工技術(shù)，如銑削、鉆孔和車削，會(huì)經(jīng)歷高切削力和廣泛的刀具磨損，這將損害陶瓷的性能。相比之下，更經(jīng)濟(jì)、破壞性更小的去除技術(shù)可用于導(dǎo)電陶瓷，如電火花加工(electricaldischarge machining-edm)，可充分發(fā)揮陶瓷材料的潛力。此外，這類導(dǎo)電材料也因其獨(dú)特的電學(xué)和磁學(xué)特性而備受推崇，并在許多關(guān)鍵技術(shù)中發(fā)揮著越來越重要的作用，包括通信、能量轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)、電子和自動(dòng)化。通常，獲得導(dǎo)電陶瓷的最常用方法之一是在陶瓷基體中添加導(dǎo)電電介質(zhì)。其中，碳納米管和石墨烯是改善陶瓷最常用的導(dǎo)電介質(zhì)。這些柔性碳材料分散在陶瓷基體中，有助于降低陶瓷的密度和提高陶瓷的韌性，但由于異質(zhì)界面之間的弱結(jié)合，其硬度/ 強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性會(huì)減弱。

4.目前，雖然實(shí)驗(yàn)上已經(jīng)合成了多種導(dǎo)電陶瓷材料，但是對(duì)于非本征導(dǎo)電陶瓷復(fù)合材料，最重要的是填料在陶瓷基體中的分散以及填料-基體界面的質(zhì)量，否則將不可避免地導(dǎo)致基體陶瓷固有機(jī)械性能的某些退化。當(dāng)碳納米管或石墨烯用作納米填料時(shí)，由于范德華相互作用使其以束/團(tuán)簇的形式結(jié)合在一起，很難均勻分散。這種情況下，采用傳統(tǒng)的機(jī)械法混合，壓制成型與燒結(jié)相結(jié)合的方式會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)電填料在陶瓷基體內(nèi)產(chǎn)生不必要的偏析，難以實(shí)現(xiàn)均勻?qū)щ姷木W(wǎng)格結(jié)構(gòu)。

5.因此，這類復(fù)合材料往往表現(xiàn)出不良的材料特性，如電導(dǎo)率的不均勻性，對(duì)工件的精度產(chǎn)生極為不利的影響。此外，材料的機(jī)械強(qiáng)度降低，制造的再現(xiàn)性差，以及不必要的晶粒生長(zhǎng)也是難以避免的。考慮到以上諸多因素，在實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)中，僅依靠當(dāng)前這些材料還難以滿足當(dāng)前日益增長(zhǎng)的生產(chǎn)需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

6.鑒于現(xiàn)有技術(shù)中導(dǎo)電陶瓷復(fù)合材料的不足，業(yè)界非常需要開發(fā)新型的高性能結(jié)構(gòu)材料，尤其是導(dǎo)電陶瓷復(fù)合材料。

7.本發(fā)明的目的是獲得一種高強(qiáng)度、導(dǎo)電性能優(yōu)異且具有良好的可加工性并適于實(shí)際工業(yè)應(yīng)用的導(dǎo)電陶瓷材料。

8.因此，本技術(shù)的第一方面的技術(shù)方案是一種碳復(fù)合材料，其由非晶碳連續(xù)相和嵌在非晶碳連續(xù)相中的金剛石顆粒組成，其中金剛石顆粒表現(xiàn)出有序的sp3雜化態(tài)，非晶碳連續(xù)相表現(xiàn)出無序的sp2雜化態(tài)。

9.本技術(shù)的第二方面的技術(shù)方案是第一方面所述碳復(fù)合材料的制備方法，該方法包括如下步驟：

10.(1)提供一種或多種純凈的sp3碳粉體；

11.(2)將sp3碳粉體在模具內(nèi)預(yù)壓成坯；

12.(3)將預(yù)壓坯裝入燒結(jié)模具中，進(jìn)行燒結(jié)；

13.(4)燒結(jié)完成后，對(duì)燒結(jié)樣品進(jìn)行急速冷卻、使燒結(jié)樣品及燒結(jié)設(shè)備的腔體快速降至室溫，取出燒結(jié)樣品，進(jìn)行任選的加工和后處理。

14.本技術(shù)的第三方面的技術(shù)方案是第一方面所述碳復(fù)合材料的另一種制備方法，該方法包括如下步驟：

15.(1)提供玻璃碳的塊狀坯；

16.(2)將玻璃碳的塊狀坯裝入燒結(jié)模具中，然后進(jìn)行第一次高溫高壓燒結(jié)處理；

17.(3)第一次高溫高壓燒結(jié)后，將燒結(jié)設(shè)備的腔體緩慢降至室溫后卸壓，取出燒結(jié)樣品，再裝入燒結(jié)模具進(jìn)行第二次高溫高壓燒結(jié)；

18.(4)第二次高溫高壓燒結(jié)后，對(duì)燒結(jié)樣品進(jìn)行急速冷卻、使燒結(jié)樣品及燒結(jié)設(shè)備的腔體快速降至室溫，卸壓，取出燒結(jié)樣品，進(jìn)行任選的加工和后處理。

19.由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明的有益效果如下：本發(fā)明合成的碳復(fù)合材料是一種高強(qiáng)度陶瓷材料，并顯示出良好的導(dǎo)電特性以及良好的電火花加工能力，化學(xué)穩(wěn)定性好且質(zhì)地較輕。此外，該材料的致密度高、成型性好，無尺寸限制，且樣品無解離、開裂現(xiàn)象。通過改變?cè)系念愋秃途Я３叽缫约皩?shí)驗(yàn)壓力等，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)材料微觀組織結(jié)構(gòu)的調(diào)控，從而調(diào)控其性能，使其在航空航天、汽車工業(yè)和生物醫(yī)學(xué)設(shè)備等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

20.下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明的碳復(fù)合材料及其制備方法做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。

附圖說明

21.圖1示出了本發(fā)明實(shí)施例1至4中預(yù)壓過程的階梯式加壓示意圖；

22.圖2a示出了本發(fā)明實(shí)施例1合成的樣品的高分辨率的透射電鏡圖像(high resolution transmission electron microscope,hrtem)；圖2b為圖2a的局部區(qū)域放大圖；

23.圖3示出了本發(fā)明實(shí)施例1合成的樣品的壓縮強(qiáng)度測(cè)試的應(yīng)力應(yīng)變曲線；

24.圖4示出了本發(fā)明實(shí)施例5合成樣品的高分辨率的透射電鏡圖像 (hrtem)；

25.圖5示出了本發(fā)明實(shí)施例5合成的樣品的壓縮強(qiáng)度測(cè)試的應(yīng)力應(yīng)變曲線；

26.圖6示出了本發(fā)明實(shí)施例6合成樣品的高分辨率的透射電鏡圖像 (hrtem)；

27.圖7示出了本發(fā)明實(shí)施例6合成的樣品的壓縮強(qiáng)度測(cè)試的應(yīng)力應(yīng)變曲線。

具體實(shí)施方式

28.本發(fā)明的第一方面提供了一種碳復(fù)合材料，其由非晶碳連續(xù)相和嵌在非晶碳連續(xù)

相中的金剛石顆粒組成，其中金剛石顆粒表現(xiàn)出有序的sp3雜化態(tài)，非晶碳連續(xù)相表現(xiàn)出無序的sp2雜化態(tài)。

29.在本技術(shù)中，除非另有指明或定義，所有的術(shù)語(yǔ)應(yīng)被解釋為具有按照本領(lǐng)域技術(shù)人員所通常理解的含義。為了清楚起見，以下術(shù)語(yǔ)應(yīng)該按照本文的定義進(jìn)行解釋和理解。

30.在本發(fā)明的上下文中，“碳復(fù)合材料”是指從材料的化學(xué)組成上看，基本由純碳元素構(gòu)成的材料，而且從微觀結(jié)構(gòu)上看(例如經(jīng)掃描電鏡或透射電鏡等儀器進(jìn)行觀察)，材料內(nèi)部存在區(qū)分明顯的兩個(gè)或多個(gè)相結(jié)構(gòu)區(qū)域。

31.但本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，“碳復(fù)合材料”并不排除原料本身中存在的或加工過程中無意引入的不可避免的少量雜質(zhì)元素。就本發(fā)明目的而言“基本上由純碳元素構(gòu)成”或“由純碳元素構(gòu)成”意指碳元素的質(zhì)量占材料總質(zhì)量的至少97％，優(yōu)選至少98％，更優(yōu)選至少99％，最優(yōu)選至少99.9％或接近100％。

32.本技術(shù)的碳復(fù)合材料“由非晶碳相和嵌在由非晶碳組成的連續(xù)相中的金剛石顆粒組成”是就其微觀結(jié)構(gòu)而言的。具體地，“由非晶碳連續(xù)相和嵌在非晶碳連續(xù)相中的金剛石顆粒組成”是指通過高分辨透射電子顯微鏡觀察，材料明顯分為非晶碳和金剛石碳兩相，且非晶碳之間互相連接形成連續(xù)相，金剛石納米/微米顆粒均勻或無規(guī)的分布其中。在本技術(shù)的碳復(fù)合材料中，連續(xù)的非晶碳相提供了導(dǎo)電通路，所以材料表現(xiàn)出導(dǎo)電性。另外，需注意：本文所用術(shù)語(yǔ)“金剛石顆?！辈⒎侵釜?dú)立存在的彼此隔離的多個(gè)顆粒狀產(chǎn)品，而是指在高分辨透射電子顯微鏡下觀察到的sp3金剛石晶粒相，這些金剛石晶粒相形成一個(gè)個(gè)的孤立區(qū)域、散布于非晶碳連續(xù)相中。

33.本領(lǐng)域技術(shù)人員了解有多種技術(shù)手段可以獲取材料的微觀結(jié)構(gòu)信息。例如，通?？梢岳胻em電鏡的saed(選區(qū)電子衍射)和hrtem(高分辨率透射電鏡)來檢測(cè)材料的樣品中金剛石晶粒和非晶態(tài)碳的存在。為了準(zhǔn)確表征，對(duì)于tem檢測(cè)，優(yōu)選分析材料內(nèi)部樣品；另外，為了避免樣品中可能存在的少量污染物的干擾，可以隨機(jī)取多個(gè)(例如3個(gè)以上)樣品點(diǎn)進(jìn)行分析。

34.本技術(shù)的碳復(fù)合材料中，非晶碳連續(xù)相的體積含量為至少5％，例如至少 10％、20％、30％、40％、50％、55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％、 90％、91％、92％、93％、94％等，但是一般不會(huì)多于95％。非晶碳連續(xù)相的體積含量可以根據(jù)需要在大范圍內(nèi)變動(dòng)，從而允技術(shù)人員設(shè)計(jì)和制備具有各種不同性能的碳復(fù)合材料。非晶碳連續(xù)相的體積含量可以由本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)常規(guī)技術(shù)確定，例如可以通過微觀成像技術(shù)(例如sem或tem等)觀測(cè)材料的多個(gè)區(qū)域，然后根據(jù)各區(qū)域的材料微觀影像中兩相的面積比估計(jì)其體積比，再計(jì)算多個(gè)區(qū)域的平均值進(jìn)而確定兩相的體積比。

35.本技術(shù)的碳復(fù)合材料中的金剛石顆粒的晶粒尺寸一般在5nm～50μm之間，所述晶粒尺寸可以大于5nm、大于8nm、大于10nm、大于20nm、大于50nm、大于80nm、大于100nm、大于200nm、大于0.5μm、大于1μm、大于1μm，所述晶粒尺寸可以小于40μm、小于30μm、小于20μm、小于15μm、小于10μm、小于5μm、小于2μm、小于1μm、小于0.5μm。金剛石顆粒的晶粒尺寸可以由本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)常規(guī)技術(shù)確定，例如可以通過微觀成像技術(shù)(例如tem等)觀測(cè)材料的多個(gè)區(qū)域，然后根據(jù)各區(qū)域的材料微觀影像測(cè)定晶粒的平均尺寸，最后再計(jì)算多個(gè)區(qū)域的平均值進(jìn)而確定晶粒總平均尺寸。

36.本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，本技術(shù)的碳復(fù)合材料“由非晶碳連續(xù)相和嵌在非晶碳

連續(xù)相中的金剛石顆粒組成”不能理解為絕對(duì)的限定，即材料中除了非晶碳相和金剛石顆粒外，還可能存在制造過程中不可避免地形成的少量其他相結(jié)構(gòu)的碳，這些其他相結(jié)構(gòu)的碳(如果存在的話)的體積含量通常最多5％，例如少于3％、2％、1％、0.5％或0.3％等。

37.本技術(shù)的碳復(fù)合材料可以呈塊體材料形式或者也可以被粉碎成顆?；蚍勰┬问?，優(yōu)選以塊體材料(或燒結(jié)體)形式使用?！皦K體”材料在本技術(shù)中被理解為獨(dú)立存在的單個(gè)材料體的體積至少為1mm3，例如至少為5mm3、至少為 10mm3、至少為20mm3、至少為50mm3、至少為100mm3、至少為200mm3、至少為500mm3、至少為1000mm3；塊體材料的體積上限并不受特別限制，可以根據(jù)實(shí)際需要和設(shè)備加工能力酌情選擇，例如可以高達(dá)1000cm3。

38.本技術(shù)的碳復(fù)合材料具有高強(qiáng)度和高導(dǎo)電性，并且可通過調(diào)整非晶相和金剛石顆粒的比例、金剛石的晶粒尺寸以及金剛石在非晶相中的分布模式等在大范圍內(nèi)對(duì)其力學(xué)性能和電學(xué)性能進(jìn)行調(diào)整，從而滿足不同應(yīng)用場(chǎng)合的需要。

39.本技術(shù)的碳復(fù)合材料具有高強(qiáng)度，優(yōu)選地，其抗壓強(qiáng)度(亦稱壓縮強(qiáng)度) 大于1.5gpa，例如大于2.0gpa、大于4.0gpa、大于5.0gpa、大于10.0gpa、大于20.0gpa、大于30.0gpa、大于40.0gpa、大于50.0gpa、大于60.0gpa、或甚至大于80.0gpa。

40.本技術(shù)的碳復(fù)合材料具有良好的導(dǎo)電性，優(yōu)選地，其室溫電導(dǎo)率大于10 s/m，例如大于20s/m、大于50s/m、大于80s/m、大于100s/m、大于200s/m、大于400s/m、大于800s/m、大于1000s/m、大于1500s/m、大于2000s/m、或甚至大于3000s/m。

41.本技術(shù)的碳復(fù)合材料可使用電火花設(shè)備進(jìn)行加工，因此具有良好的可加工性。

42.本技術(shù)的碳復(fù)合材料具有良好的結(jié)構(gòu)和性能均勻性，優(yōu)選地，其抗壓強(qiáng)度和/或?qū)щ娐氏鄬?duì)于平均值的偏差度不超過25％，更優(yōu)選地不超過20％，例如不超過16％或15％，最優(yōu)選地不超過12％或10％。偏差度例如可以如下測(cè)量：在材料內(nèi)隨機(jī)選擇10個(gè)區(qū)域，分別測(cè)量其抗壓強(qiáng)度和/或?qū)щ娐?，然后利用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法計(jì)算各區(qū)域測(cè)量值的標(biāo)準(zhǔn)偏差(stdev)與平均值的比值。

43.本技術(shù)的碳復(fù)合材料的壓縮應(yīng)變可以大于0.5％，例如大于1％、大于1.5％、大于1.8％、大于2.0％、大于4.0％、大于5.0％、大于8.0％、大于10.0％、或甚至大于12.0％；壓縮應(yīng)變通常小于50.0％，例如小于49.0％、小于48.0％、小于 47.0％、小于46.0％、小于35.0％、小于20.0％、小于10.0％、小于8.0％、小于 6.0％、或甚至小于4.0％。

44.本技術(shù)的碳復(fù)合材料的努氏硬度可以大于10gpa，例如大于20gpa、大于 30gpa、大于40gpa、大于50gpa、大于60gpa、大于70gpa、或甚至大于80gpa。

45.本技術(shù)的第二方面提供了一種制備第一方面所述碳復(fù)合材料的方法，該方法包括如下步驟：

46.(1)提供一種或多種純凈的sp3碳粉體；

47.(2)將sp3碳粉體在模具內(nèi)預(yù)壓成坯；

48.(3)將預(yù)壓坯裝入燒結(jié)模具中，進(jìn)行燒結(jié)；

49.(4)燒結(jié)完成后，對(duì)燒結(jié)樣品進(jìn)行急速冷卻、使燒結(jié)樣品及燒結(jié)設(shè)備的腔體快速降至室溫，取出燒結(jié)樣品，進(jìn)行任選的加工和后處理。

50.方法的步驟(1)中所用碳原料為sp3雜化的碳粉體，最好采用不含sp2雜化碳成分的sp3雜化碳材料，例如金剛石，包括立方金剛石(cubic diamond) 和六方金剛石(hexagonal diamond)。可以使用單一種類的sp3碳粉體，也可以使用多種sp3碳粉體的混合物。

51.所述碳原料為粉體材料，即粉體或顆粒形式，為了制備過程更精確地可控，所述粉體材料最好具有窄分布的粒徑范圍。在本技術(shù)中，“窄分布的粒徑范圍”是指金剛石粉體的顆粒粒徑分布區(qū)間相對(duì)集中，即顆粒粒徑比較均勻。作為原料的sp3雜化的碳粉體可以是微米顆粒也可以是納米顆粒，其粒徑尺寸分布范圍一般為5nm-50μm，優(yōu)選為5nm-20μm，例如約5nm、10nm、20nm、30nm、 50nm、80nm、100nm、200nm、500nm、800nm、1μm、2μm、3μm、5μm、8μm、 10μm、15μm、20μm、30μm、40μm、50μm等或是處于由以上任意兩個(gè)粒徑值所構(gòu)成的范圍之內(nèi)，尤其是由以上任意兩個(gè)相鄰粒徑值(如30nm-50nm， 8μm-10μm等)所構(gòu)成的范圍之內(nèi)。

52.或者，“窄分布的粒徑范圍”也可以用粉體的粒徑分布指數(shù)來定義。步驟 (1)中所用sp3雜化碳粉體的粒徑分布指數(shù)dv90/dv50在通?？梢栽?～10的范圍內(nèi)，例如在1～5或1～3的范圍內(nèi)，優(yōu)選在1～2.5，最優(yōu)選在1～2的范圍內(nèi)。本領(lǐng)域公知，dv50表示材料顆粒的累積體積分布達(dá)到50％所對(duì)應(yīng)的顆粒尺寸 (粒徑)。本領(lǐng)域公知，dv90表示材料顆粒的累積體積分布達(dá)到90％所對(duì)應(yīng)的顆粒尺寸(粒徑)。dv50、dv90的測(cè)試方法是本領(lǐng)域公知的，例如可以用激光粒度分析儀(例如malvern master size 2000)方便地測(cè)定。

53.在本技術(shù)中，“純凈的sp3碳”被理解為指純度至少為90％，優(yōu)選至少95％，更優(yōu)選至少97％，最優(yōu)選至少98％或至少99％。為了獲得所述“純凈的sp3碳”，可以對(duì)原始粗制sp3碳材料進(jìn)行凈化處理。所述凈化處理例如可以為：用硝酸、氫氟酸、鹽酸或硫酸等處理碳原料，于溫度20～500℃(例如50℃、70℃、90℃、 100℃、150℃、200℃、250℃、300℃、350℃、400℃、450℃等溫度)下進(jìn)行處理，溶解碳原料中的雜質(zhì)；或用其他方法處理凈化碳原料。在一些實(shí)施方式中，對(duì)于純度較高的碳原料可不需要凈化除雜，而是直接利用?？蛇x地，經(jīng)酸處理后的sp3碳原料可以再用去離子水洗滌酸溶液，過濾、分離、烘干等。其他處理、凈化碳原料的方法也可以在本技術(shù)中采用。

54.在步驟(2)中將所述碳粉體原料預(yù)壓成坯體，所述坯體根據(jù)需要可以是任意形狀，例如柱體、塊體和球體等。預(yù)壓成坯可以在常規(guī)壓坯機(jī)或液壓機(jī)上進(jìn)行，通常在室溫下操作即可，視需要可以在空氣中或惰性氣氛中進(jìn)行。本發(fā)明的步驟二中的預(yù)壓壓力沒有特別限制，只要保證坯體密實(shí)即可，但為了達(dá)到更好的效果，預(yù)壓壓力應(yīng)達(dá)到5mpa以上，例如8mpa、10mpa、20mpa、30mpa、40mpa、50mpa等。預(yù)壓保持時(shí)間優(yōu)選為0.5min以上和10min以內(nèi)，更優(yōu)選為1～2min。這是因?yàn)楫?dāng)保持時(shí)間低于0.5min時(shí)，預(yù)壓不充分，難以達(dá)到預(yù)壓處理的目的；然而當(dāng)時(shí)間超過10min時(shí)，處理效果并無明顯差異，并不會(huì)對(duì)合成碳材料的性能產(chǎn)生影響，因此從經(jīng)濟(jì)的角度來看是無益的。

55.在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式中，預(yù)壓模式為雙向逐級(jí)施加壓力，該法能夠使成型模具內(nèi)的粉料雙向均勻受力，降低了預(yù)壓坯上下壓力梯度，避免預(yù)壓坯上下密度相差較大，進(jìn)而影響燒結(jié)后塊體的整體致密度，從而使得坯體致密度更高，更有助于提高合成樣品的性能。因此，階梯式雙向施加壓力能使粉體被壓縮得更致密，利于后續(xù)燒結(jié)樣品的成型性和均一性。

56.步驟(3)包括對(duì)粉體的預(yù)壓坯塊進(jìn)行燒結(jié)處理。步驟(3)中的燒結(jié)方法沒有特別限制，可以為高溫高壓燒結(jié)、放電等離子燒結(jié)、熱壓燒結(jié)、微波燒結(jié)和無壓燒結(jié)，凡是能夠獲得具有金剛石與非晶碳復(fù)合組織結(jié)構(gòu)的的高強(qiáng)導(dǎo)電碳材料即可。其中為了保證產(chǎn)品性能，優(yōu)選燒結(jié)方法為高溫高壓法、放電等離子法和熱壓法。

57.在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中，采用高溫高壓燒結(jié)法，其中在0.5gpa 以上

25gpa以下的燒結(jié)壓力、800℃以上2500℃以下溫度條件下進(jìn)行燒結(jié)，以得到具有高強(qiáng)度的導(dǎo)電碳復(fù)合材料。燒結(jié)壓力例如為0.5gpa、0.8gpa、1gpa、 2gpa、5gpa、10gpa、12gpa、15gpa、18gpa、20gpa、25gpa等。燒結(jié)溫度例如可以為800℃、900℃、1000℃、1100℃、1200℃、1300℃、1400℃、1500℃、 1600℃、1700℃、1800℃、1900℃、2000℃、2100℃、2200℃、2300℃、2400℃、 2500℃等溫度。在步驟(3)中，采用高溫高壓燒結(jié)法時(shí)，優(yōu)選保溫時(shí)間為5～60 min，當(dāng)保溫時(shí)間低于5min時(shí)，燒結(jié)不充分，樣品不致密。而當(dāng)保溫時(shí)間高于 60min時(shí)，樣品的燒結(jié)狀態(tài)無明顯差異，因?yàn)榇朔椒Y(jié)獲得樣品的狀態(tài)主要受燒結(jié)壓力和溫度的影響。

58.在本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中，采用放電等離子法進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)模具為石墨模具，石墨模具外圍使用碳?xì)职?。燒結(jié)步驟為抽真空至真空度高于 1

×

10-1

pa后升壓至燒結(jié)壓力，待燒結(jié)壓力穩(wěn)定后升溫至燒結(jié)溫度，高溫?zé)Y(jié)后關(guān)閉加熱程序并卸壓。放電等離子法施加的燒結(jié)壓力大小為20mpa～50mpa(例如20mpa、25mpa、30mpa、35mpa、40mpa、45mpa、50mpa等)，燒結(jié)溫度為800℃～2200℃(例如800℃、900℃、1000℃、1100℃、1200℃、1300℃、 1400℃、1500℃、1600℃、1700℃、1800℃、1900℃、2000℃、2100℃、2200℃等)。在步驟(3)中，采用放電等離子法燒結(jié)時(shí)，升溫的速率優(yōu)選為 50℃/min～200℃/min，保溫時(shí)間優(yōu)選為1min～30min。

59.根據(jù)所選用的燒結(jié)方法，燒結(jié)處理可以采用本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的燒結(jié)設(shè)備進(jìn)行，例如馬弗爐、管式爐、熱壓爐、脈沖放電等離子燒結(jié)爐、高溫高壓裝置等無壓或有壓燒結(jié)裝置。燒結(jié)過程視需要可以在惰性氣氛中進(jìn)行，或在空氣中進(jìn)行。

60.另外，在燒結(jié)過程中，優(yōu)選采用階梯式的升溫以避免在燒結(jié)過程中因坯體體積收縮過大而產(chǎn)生的不利影響，由此可以盡可能的消除內(nèi)部應(yīng)力，避免產(chǎn)生微裂紋從而對(duì)樣品性能產(chǎn)生不利的影響。

61.另外優(yōu)選地，在燒結(jié)之前，在步驟(2)和/或(3)中，例如在將碳粉體預(yù)壓成坯后，和/或者在將預(yù)壓坯裝入燒結(jié)模具之后，對(duì)干預(yù)壓坯或預(yù)壓坯與燒結(jié)模具的組裝體進(jìn)行干燥處理。

62.燒結(jié)完成后，在步驟(4)中對(duì)燒結(jié)樣品進(jìn)行急速冷卻、使燒結(jié)樣品及燒結(jié)設(shè)備的腔體快速降至室溫，并且如果在高壓下燒結(jié)則將設(shè)備內(nèi)壓調(diào)至環(huán)境壓力 (即卸壓)，然后取出燒結(jié)樣品，進(jìn)行任選的加工和后處理(例如電火花加工、研磨和拋光等)后，即得到本技術(shù)的碳復(fù)合材料。步驟(4)中的快速降溫一般是指完成燒結(jié)后，立即停止加熱，使設(shè)備腔體快速冷卻至室溫。燒結(jié)完成后，采用急冷的方式(例如斷電急冷)使樣品及燒結(jié)設(shè)備的腔體快速降至室溫，有利于非晶碳組織結(jié)構(gòu)的保留，避免sp2雜化碳晶化。

63.除了使用sp3雜化的碳粉體為原料外，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)還可以使用玻璃碳作為原料來制備等本技術(shù)第一方面所述碳復(fù)合材料。因此，本技術(shù)在第三方面提供了一種制備第一方面所述碳復(fù)合材料的方法，該方法包括如下步驟：

64.(1)提供玻璃碳的塊狀坯；

65.(2)將玻璃碳的塊狀坯裝入燒結(jié)模具中，然后進(jìn)行第一次高溫高壓燒結(jié)處理；

66.(3)第一次高溫高壓燒結(jié)后，將燒結(jié)設(shè)備的腔體緩慢降至室溫后卸壓，取出燒結(jié)樣品，再裝入燒結(jié)模具進(jìn)行第二次高溫高壓燒結(jié)；

67.(4)第二次高溫高壓燒結(jié)后，對(duì)燒結(jié)樣品進(jìn)行急速冷卻、使燒結(jié)樣品及燒結(jié)設(shè)備的腔體快速降至室溫，卸壓，取出燒結(jié)樣品，進(jìn)行任選的加工和后處理。

68.方法的步驟(1)中所用玻璃碳碳原料可以直接使用本領(lǐng)域已知的或可商購(gòu)的各種玻璃碳，既可以直接采購(gòu)塊狀的玻璃碳，也可以使用玻璃碳粉末或顆粒經(jīng)壓制形成塊狀坯。所述塊狀坯根據(jù)需要可以是任意形狀，例如柱體、塊體和球體等。

69.在步驟(2)的第一次高溫高壓燒結(jié)中，優(yōu)選使用在0.5gpa以上15gpa 以下的燒結(jié)壓力、500℃以上1500℃以下的燒結(jié)溫度。燒結(jié)壓力例如為0.5gpa、 0.8gpa、1gpa、2gpa、5gpa、10gpa、12gpa、15gpa等。燒結(jié)溫度例如可以為500℃、600℃、700℃、800℃、900℃、1000℃、1100℃、1200℃、1300℃、 1400℃、1500℃等溫度。在步驟(2)的第一次高溫高壓燒結(jié)中，優(yōu)選保溫時(shí)間為5～60min。步驟(2)的高溫高壓燒結(jié)可以在現(xiàn)有技術(shù)各種已知的高溫高壓燒結(jié)裝置中進(jìn)行。

70.在第一次高溫高壓燒結(jié)之前，優(yōu)選地，對(duì)于塊狀坯或塊狀坯與燒結(jié)模具的組裝體進(jìn)行干燥處理。

71.在步驟(2)的第一次高溫高壓燒結(jié)結(jié)束后，緩慢降溫，得到的是非晶態(tài)的壓縮玻璃碳(非晶sp2雜化碳+非晶sp3雜化碳)。這里“緩慢降溫”表示受控的階梯式降溫，即燒結(jié)后逐級(jí)降低加熱溫度。例如，一個(gè)典型的緩慢降溫程序?yàn)椋合?500℃保溫10min，以50℃/min的速度降溫，然后降到1000℃保溫5min，再以50℃/min的速度降到500℃，保溫2分鐘，最后以50℃/min的速度降至室溫。

72.在步驟(3)的第二次高溫高壓燒結(jié)中，優(yōu)選使用在0.5gpa以上25gpa 以下的燒結(jié)壓力、800℃以上2500℃以下的燒結(jié)溫度，以得到具有高強(qiáng)度的導(dǎo)電碳復(fù)合材料。燒結(jié)壓力例如為0.5gpa、0.8gpa、1gpa、2gpa、5gpa、10gpa、 12gpa、15gpa、18gpa、20gpa、25gpa等。燒結(jié)溫度例如可以為800℃、900℃、 1000℃、1100℃、1200℃、1300℃、1400℃、1500℃、1600℃、1700℃、1800℃、 1900℃、2000℃、2100℃、2200℃、2300℃、2400℃、2500℃等溫度。在步驟 (3)的第二次高溫高壓燒結(jié)中，優(yōu)選保溫時(shí)間為5～60min。當(dāng)保溫時(shí)間低于5 min時(shí)，燒結(jié)不充分，樣品不致密；而當(dāng)保溫時(shí)間高于60min時(shí)，樣品的燒結(jié)狀態(tài)無明顯差異，因?yàn)闊Y(jié)獲得樣品的狀態(tài)主要受燒結(jié)壓力和溫度的影響。步驟(3)的高溫高壓燒結(jié)可以在現(xiàn)有技術(shù)各種已知的高溫高壓燒結(jié)裝置中進(jìn)行。

73.另外，在第二次高溫高壓燒結(jié)過程中，優(yōu)選采用階梯式的升溫以避免在燒結(jié)過程中因坯體體積收縮過大而產(chǎn)生的不利影響，由此可以盡可能的消除內(nèi)部應(yīng)力，避免產(chǎn)生微裂紋從而對(duì)樣品性能產(chǎn)生不利的影響。

74.第二次高溫高壓燒結(jié)完成后，在步驟(4)中對(duì)燒結(jié)樣品進(jìn)行急速冷卻、使燒結(jié)樣品及燒結(jié)設(shè)備的腔體快速降至室溫，然后卸壓，取出燒結(jié)樣品，進(jìn)行任選的加工和后處理(例如電火花加工、研磨和拋光等)后，即得到本技術(shù)的碳復(fù)合材料。這里的快速降溫一般是指完成燒結(jié)后，立即停止加熱，使設(shè)備腔體快速冷卻至室溫。燒結(jié)完成后，采用急冷的方式(例如斷電急冷)使樣品及燒結(jié)設(shè)備的腔體快速降至室溫，有利于非晶碳組織結(jié)構(gòu)的保留，避免sp2雜化碳晶化。

75.本發(fā)明通過燒結(jié)金剛石粉體或壓縮玻璃碳等sp3碳原料，獲得一類高強(qiáng)度的導(dǎo)電碳基復(fù)合材料。由于使用sp3碳粉體，sp3碳粉體在燒結(jié)過程中發(fā)生相變，在燒結(jié)初期，金剛石部分石墨化形成無序的sp2碳，即有序的sp3雜化碳(金剛石)部分轉(zhuǎn)變?yōu)闊o序的sp2雜化碳(非晶碳)，金剛石顆粒彌散的分布在非晶碳連續(xù)相中。由于使用sp3碳粉體(或壓縮玻璃碳)作為原料，制得的高強(qiáng)度的導(dǎo)電碳基為一種自生復(fù)合材料，其顯微組織結(jié)構(gòu)分布更加均勻，

致密度和強(qiáng)度也相對(duì)較高。另外，由于導(dǎo)電碳基自生復(fù)合材料基本由純碳元素組成，因此避免了加入其它元素或其他外加相而引起的性能不均的問題。

76.下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本技術(shù)的碳復(fù)合材料和制備方法做進(jìn)一步描述。

77.實(shí)施例

78.以下描述的實(shí)施例是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。本發(fā)明的實(shí)施例的詳細(xì)描述并非旨在限制要求保護(hù)的本發(fā)明的范圍，而是僅僅表示本發(fā)明的特定實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明原理、沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

79.為了簡(jiǎn)明起見，一些本領(lǐng)域常規(guī)采用的材料、設(shè)備和方法步驟未在實(shí)施例中一一注明。凡是在實(shí)施例中未具體注明的工藝方法和分析測(cè)試過程(及相關(guān)參數(shù))均按本領(lǐng)域技術(shù)人員通常所采用的進(jìn)行；未注明具體來源的材料和設(shè)備均為實(shí)驗(yàn)室常規(guī)材料和設(shè)備。

80.設(shè)備和材料分析檢測(cè)方法

81.各實(shí)施例中所用高溫高壓燒結(jié)裝置為六面頂液壓機(jī)cs-1b(國(guó)營(yíng)桂林冶金機(jī)械總廠)和美國(guó)rockland research公司生產(chǎn)的t25型壓機(jī)。

82.各實(shí)施例中所用的放電等離子燒結(jié)設(shè)備是住友石炭礦業(yè)株式會(huì)社的 sps-3.20mk-iv。

83.各實(shí)施例中所用的電火花加工設(shè)備由泰州市江洲數(shù)控機(jī)床制造有限公司提供。

84.各實(shí)施例中所用主要分析檢測(cè)方法及所用儀器如下：

85.粉體原料的粒徑：采用malvern master size 2000按照儀器手冊(cè)中推薦的方法進(jìn)行測(cè)試。

86.hrtem：利用聚焦離子束(fib)制備了tem樣品(4

×8×

0.1μm)，采用賽默飛talos f200x掃描透射電鏡(美國(guó)賽默飛世爾科技公司)進(jìn)行進(jìn)行測(cè)試，加速電壓為300kv。

87.努氏硬度：采用德國(guó)kb-5-bvz型硬度儀對(duì)樣品進(jìn)行硬度的測(cè)試，加載時(shí)間30s，保壓時(shí)間30s；通過施加一定載荷使壓頭壓入被測(cè)試樣品，在卸去載荷后在樣品表面留下塑性變形的痕跡。

88.壓縮強(qiáng)度(抗壓強(qiáng)度)和壓縮應(yīng)變：

89.(1)、宏觀壓縮強(qiáng)度測(cè)試：使用電火花加工設(shè)備，將樣品加工成直徑2～5 mm左右，徑高比約1:2的圓柱。采用材料力學(xué)性能試驗(yàn)機(jī)(濟(jì)南金銀豐儀器有限公司)進(jìn)行壓縮性能測(cè)試，加載速率在5

×

10-5

～1

×

10-3

s-1

范圍內(nèi)按需要調(diào)節(jié)。

90.(2)、微觀壓縮強(qiáng)度測(cè)試：在fei-helios聚焦離子束(fib)裝置上，采用加速電壓為30kv的ga離子束，制備了直徑約1μm、徑高比約1:2的復(fù)合材料微柱用于壓縮強(qiáng)度測(cè)試?，F(xiàn)場(chǎng)壓縮試驗(yàn)在現(xiàn)場(chǎng)sem儀器(pi-88，hysitron) 上進(jìn)行，該儀器配有高負(fù)荷傳感器，以獲取現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)變形細(xì)節(jié)和過程，實(shí)驗(yàn)是在10％的恒定應(yīng)變率下進(jìn)行。

91.室溫電導(dǎo)率：采用綜合物性測(cè)量系統(tǒng)(physical property measurement system ——ppms，美國(guó)quantum design公司)中的四線法測(cè)量樣品的電阻率。

92.實(shí)施例1

93.制備方法包括以下步驟：

94.(一)、裝料預(yù)壓：稱取1g金剛石納米粉(購(gòu)于上海阿拉丁生化科技股份有限公司)，粉體的粒徑在30-50nm，將粉體體置于內(nèi)徑6mm的硬質(zhì)合金的模具中預(yù)壓成型，壓力大小為

20mpa，壓力施加方式為：階梯式雙向同時(shí)施壓；保壓時(shí)間1min，得到成型性良好的圓柱坯體。

95.(二)、組裝：將步驟(一)中的預(yù)制坯裝入高壓組裝件中，在180℃干燥箱內(nèi)烘干1h，使水分充分排除，避免因水蒸汽對(duì)樣品性能產(chǎn)生的不利影響。

96.(三)、高壓燒結(jié)：將干燥后的組裝塊取出待降至室溫后，將其放入六面頂壓機(jī)腔體進(jìn)行高壓實(shí)驗(yàn)。以3gpa/min的升壓速率升壓至壓力3gpa，待壓力穩(wěn)定后，以80℃/min升溫速率升至1200℃，保溫5min。待壓機(jī)穩(wěn)定后，以相同的升壓速率將實(shí)驗(yàn)壓力升至5.5gpa，繼續(xù)提高燒結(jié)溫度至1400℃，保溫 15min。待保溫完成后，關(guān)閉加熱，使得溫度快速降至室溫。待溫度降至室溫后，開啟卸壓裝置，卸壓速率為0.5gpa/min，10min內(nèi)降至環(huán)境壓力，取出樣品。

97.性能測(cè)試過程如下：將獲得的碳樣品使用電火花線切割加工成條狀和圓柱狀，使用金剛石研磨粉進(jìn)行研磨拋光至標(biāo)準(zhǔn)尺寸，使用材料力學(xué)性能試驗(yàn)機(jī)在室溫下對(duì)樣品進(jìn)行壓縮強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度測(cè)試。用于壓縮強(qiáng)度測(cè)試的樣品為圓柱體，直徑為2.5mm，高度為4mm，材料力學(xué)性能試驗(yàn)機(jī)加載應(yīng)變速率為1

×

10-3

/s。通過綜合物性測(cè)量系統(tǒng)(ppms)測(cè)試樣品的電導(dǎo)率。

98.本實(shí)施例的高強(qiáng)、導(dǎo)電金剛石/非晶碳復(fù)合材料，為不透明的致密塊體。圖 2(a)和2(b)為該樣品的高分辨率透射電鏡圖像。虛線圈出來的部分為有序的sp3雜化碳(即，金剛石)，周圍為無序的sp2雜化碳(非晶碳)。測(cè)得該樣品的抗壓強(qiáng)度為2.8gpa，壓縮應(yīng)變?yōu)?.5％(圖3)。該條件下制備樣品的室溫電導(dǎo)率為2000s/m。

99.實(shí)施例2

100.采用與實(shí)施例1類似的方法和步驟進(jìn)行碳復(fù)合材料的制備，并進(jìn)行同樣的測(cè)試過程，與實(shí)施例1不同的具體工藝參數(shù)參見表1所示。

101.本實(shí)施例的高強(qiáng)、導(dǎo)電金剛石/非晶碳復(fù)合材料，為不透明的致密塊體。該樣品的抗壓強(qiáng)度為4.2gpa，壓縮應(yīng)變?yōu)?.3％，室溫下材料的電導(dǎo)率為1450 s/m。

102.實(shí)施例3

103.采用與實(shí)施例1類似的方法和步驟進(jìn)行碳復(fù)合材料的制備，并進(jìn)行同樣的測(cè)試過程，與實(shí)施例1不同的具體工藝參數(shù)參見表1所示。

104.本實(shí)施例的高強(qiáng)、導(dǎo)電金剛石/非晶碳復(fù)合材料，為不透明的致密塊體。該樣品的抗壓強(qiáng)度為6.2gpa，壓縮應(yīng)變?yōu)?.8％，室溫下材料的電導(dǎo)率為540s/m。

105.實(shí)施例4

106.制備方法包括以下步驟：

107.(一)、裝料預(yù)壓：稱取6g的金剛石納米粉(購(gòu)于上海阿拉丁生化科技股份有限公司)，粉體的粒徑在15μm-20μm范圍內(nèi)，將粉體置于內(nèi)徑20mm的硬質(zhì)合金的模具中預(yù)壓成型，壓力大小為30mpa，壓力施加方式為：階梯式雙向同時(shí)施壓；保壓時(shí)間1min，得到成型性良好的圓柱坯體。將預(yù)壓成型后的預(yù)壓坯放入燒結(jié)模具，燒結(jié)模具為石墨模具，石墨模具外圍使用碳布隔開。

108.(二)、燒結(jié)：將步驟(一)中的預(yù)壓坯連同燒結(jié)模具一起放入放電等離子燒結(jié)設(shè)備燒結(jié)，燒結(jié)方式為放電等離子燒結(jié)。首先抽真空至真空度為1

×

10-1 pa后升壓至燒結(jié)壓力，燒結(jié)壓力大小為50mpa，待燒結(jié)壓力穩(wěn)定后升溫至燒結(jié)溫度，升溫的速率為150℃/min，燒結(jié)

溫度為1800℃，保溫時(shí)間為10min，高溫?zé)Y(jié)后關(guān)閉加熱程序，使得溫度快速降至室溫，待溫度降至室溫后卸壓；隨后取出模具，退模獲得高強(qiáng)度的導(dǎo)電的金剛石/非晶碳復(fù)合塊體。抽真空有利于坯體中氣體越能從封閉氣孔中逸出，能提高最終制備產(chǎn)物的致密度。

109.性能測(cè)試過程如下：將獲得的碳樣品使用電火花線切割加工成條狀和圓柱狀，使用金剛石研磨粉進(jìn)行研磨拋光至標(biāo)準(zhǔn)尺寸，使用材料力學(xué)性能試驗(yàn)機(jī)在室溫下對(duì)樣品進(jìn)行壓縮強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度測(cè)試。用于壓縮強(qiáng)度測(cè)試的樣品為圓柱體，直徑為3mm，高度為5.5mm；材料力學(xué)性能試驗(yàn)機(jī)加載應(yīng)變速率為1

×

10-3

/s。通過綜合物性測(cè)量系統(tǒng)(ppms)測(cè)試樣品的電導(dǎo)率。

110.本實(shí)施例的高強(qiáng)、導(dǎo)電金剛石/非晶碳復(fù)合材料，為不透明的致密塊體。測(cè)得該樣品的抗壓強(qiáng)度為2.6gpa(圖3)，壓縮應(yīng)變?yōu)?.4％，室溫下材料的電導(dǎo)率為220s/m。

111.實(shí)施例5

112.制備方法包括以下步驟：

113.(一)、前軀體預(yù)制：將玻璃碳(購(gòu)于阿法埃莎化學(xué)有限公司)加工成直徑1.5mm、高度2mm的圓柱，將其放入六方氮化硼(hbn)坩堝中，將裝入標(biāo)準(zhǔn)高壓組裝件中，將組件在180℃下烘干1h，隨后將組裝塊放入t25壓機(jī)，合成壓為15gpa，溫度范圍為900℃，保壓保溫60分鐘，斷電停止加熱使腔體內(nèi)部溫度降至室溫，隨后緩慢卸壓，得到非晶的壓縮玻璃碳(非晶sp2雜化碳+ 非晶sp3雜化碳)。

114.(二)、高壓燒結(jié)：將步驟(一)得到壓縮玻璃碳預(yù)制成直徑1.2mm、高 2.3mm的圓柱坯體，將其放入六方氮化硼坩堝中，再裝入標(biāo)準(zhǔn)的高溫高壓組裝塊，將組裝塊裝入t25超高壓溫合成裝置，在壓力為25gpa、溫度為1000℃的條件下加熱60min，升壓速率為1.5gpa/h，升溫速度為50℃/min。

115.性能測(cè)試過程如下：使用多段粒徑的金剛石研磨膏將高壓合成樣品拋光，利用kb-5bvz顯微硬度計(jì)測(cè)定樣品的努氏硬度。在fei-helios聚焦離子束 (fib)裝置上，采用加速電壓為30kv的ga離子束，制備了直徑約1μm、徑高比約1:2的復(fù)合材料微柱用于原位壓縮強(qiáng)度測(cè)試。原位壓縮試驗(yàn)在sem儀器 (pi-88，hysitron)上進(jìn)行，該儀器配有高負(fù)荷傳感器，以獲取現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)變形細(xì)節(jié)和過程，實(shí)驗(yàn)是在1

×

10-3

/s的恒定應(yīng)變率下進(jìn)行。通過綜合物性測(cè)量系統(tǒng) (ppms)測(cè)試樣品的電導(dǎo)率。

116.本實(shí)施例的高強(qiáng)、導(dǎo)電金剛石/非晶碳復(fù)合材料，為不透明的致密塊體。圖 4為該樣品的hrtem照片，虛線圈出部分為金剛石，其余部分為非晶碳。測(cè)得該條件下制備樣品的努氏硬度值為35gpa，該樣品的抗壓強(qiáng)度為29gpa(圖 4)，壓縮應(yīng)變?yōu)?.4％(圖5)，室溫下材料的電導(dǎo)率為660s/m。

117.實(shí)施例6

118.采用與實(shí)施例5類似的方法和步驟進(jìn)行碳復(fù)合材料的制備，并進(jìn)行同樣的測(cè)試過程，與實(shí)施例5相不同的具體工藝參數(shù)參見表1所示。

119.本實(shí)施例的高強(qiáng)、導(dǎo)電金剛石/非晶碳復(fù)合材料，為不透明的致密塊體。圖 6為該樣品的hrtem照片，與實(shí)施例5相比(圖4)，其金剛石含量明顯增多。測(cè)得該條件下制備樣品的努氏硬度值為55gpa，該樣品的抗壓強(qiáng)度為51gpa，壓縮應(yīng)變?yōu)?0％(圖7)，室溫下材料的電導(dǎo)率為130s/m。

120.上述各實(shí)施例的制備工藝參數(shù)和材料性能測(cè)試結(jié)果還示于下面表1和表2 中。

121.表1 實(shí)施例1～6的金剛石/非晶碳復(fù)合材料制備方法參數(shù)對(duì)照表

[0122][0123]

表2 實(shí)施例1～6的金剛石/非晶碳復(fù)合材料性能參數(shù)對(duì)照表

[0124][0125]

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。

[0126]

本發(fā)明的說明書中列舉了各種組分的可選材料，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解：上述組分材料的列舉并非限制性的，也非窮舉性的，各種組分都可以用其他本發(fā)明說明書

中未提到的等效材料替代，而仍可以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的。說明書中所提到的具體實(shí)施例也是僅僅起到解釋說明的目的，而不是為例限制本發(fā)明的范圍。

[0127]

另外，本發(fā)明每一個(gè)組分的用量范圍包括說明書中所提到的任意下限和任意上限的任意組合，也包括各具體實(shí)施例中該組分的具體含量作為上限或下限組合而構(gòu)成的任意范圍：所有這些范圍都涵蓋在本發(fā)明的范圍內(nèi)，只是為了節(jié)省篇幅，這些組合而成的范圍未在說明書中一一列舉。說明書中所列舉的本發(fā)明的每一個(gè)特征，可以與本發(fā)明的其他任意特征組合，這種組合也都在本發(fā)明的公開范圍內(nèi)：只是為了節(jié)省篇幅，這些組合而成的范圍未在說明書中一一列舉。技術(shù)特征：

1.一種碳復(fù)合材料，其由非晶碳連續(xù)相和嵌在非晶碳連續(xù)相中的金剛石顆粒組成，其中金剛石顆粒表現(xiàn)出有序的sp3雜化態(tài)，非晶碳連續(xù)相表現(xiàn)出無序的sp2雜化態(tài)。2.如權(quán)利要求1所述的碳復(fù)合材料，其中，所述非晶碳連續(xù)相的體積含量為至少5％，優(yōu)選至少10％，更優(yōu)選至少20％。3.如權(quán)利要求1或2所述的碳復(fù)合材料，其抗壓強(qiáng)度大于1.5gpa，其室溫電導(dǎo)率大于10s/m。4.如權(quán)利要求3所述的碳復(fù)合材料，其抗壓強(qiáng)度和/或?qū)щ娐氏鄬?duì)于平均值的偏差度不超過25％。5.如權(quán)利要求1至4任一項(xiàng)所述的碳復(fù)合材料，其呈塊體材料的形式。6.一種權(quán)利要求1至5任一項(xiàng)所述的碳復(fù)合材料的制備方法，該方法包括如下步驟：(1)提供一種或多種純凈的sp3碳粉體；(2)將sp3碳粉體在模具內(nèi)預(yù)壓成坯；(3)將預(yù)壓坯裝入燒結(jié)模具中，進(jìn)行燒結(jié)；(4)燒結(jié)完成后，對(duì)燒結(jié)樣品進(jìn)行急速冷卻、使燒結(jié)樣品及燒結(jié)設(shè)備的腔體快速降至室溫，取出燒結(jié)樣品，進(jìn)行任選的加工和后處理。7.如權(quán)利要求6所述的碳復(fù)合材料的制備方法，其中步驟(1)中所用sp3雜化的碳粉體具有窄分布的粒徑范圍，其粒徑尺寸范圍為5nm-50μm，優(yōu)選為5nm-20μm。8.如權(quán)利要求6或7所述的碳復(fù)合材料的制備方法，其中步驟(2)的預(yù)壓操作采用階梯式雙向施加壓力，預(yù)壓壓力為5mpa以上。9.如權(quán)利要求7至8中任一項(xiàng)所述的碳復(fù)合材料的制備方法，其中步驟(3)中的燒結(jié)方法為高溫高壓燒結(jié)、放電等離子燒結(jié)或熱壓燒結(jié)。10.如權(quán)利要求9所述的碳復(fù)合材料的制備方法，其中步驟(3)中的燒結(jié)采用高溫高壓燒結(jié)法時(shí)，燒結(jié)壓力為0.5gpa～25gpa，燒結(jié)溫度為800℃～2500℃；步驟(3)中的燒結(jié)采用放電等離子法時(shí)，燒結(jié)模具為石墨模具，燒結(jié)壓力為20mpa～50mpa，燒結(jié)溫度為800℃～2200℃。11.一種權(quán)利要求1至5任一項(xiàng)所述的碳復(fù)合材料的制備方法，該方法包括如下步驟：(1)提供玻璃碳的塊狀坯；(2)將玻璃碳的塊狀坯裝入燒結(jié)模具中，然后進(jìn)行第一次高溫高壓燒結(jié)處理；(3)第一次高溫高壓燒結(jié)后，將燒結(jié)設(shè)備的腔體緩慢降至室溫后卸壓，取出燒結(jié)樣品，再裝入燒結(jié)模具進(jìn)行第二次高溫高壓燒結(jié)；(4)第二次高溫高壓燒結(jié)后，對(duì)燒結(jié)樣品進(jìn)行急速冷卻、使燒結(jié)樣品及燒結(jié)設(shè)備的腔體快速降至室溫，卸壓，取出燒結(jié)樣品，進(jìn)行任選的加工和后處理。12.如權(quán)利要求11所述的碳復(fù)合材料的制備方法，其中：步驟(2)中第一次高溫高壓燒結(jié)的燒結(jié)壓力為0.5gpa～15gpa，燒結(jié)溫度為800℃～1500℃；并且/或者步驟(4)中的第二次高溫高壓燒結(jié)的燒結(jié)壓力為0.5gpa～25gpa，燒結(jié)溫度為800℃～2500℃。

技術(shù)總結(jié)

本發(fā)明公開了一種導(dǎo)電高強(qiáng)金剛石/非晶碳復(fù)合材料及其制備方法。該金剛石/非晶碳復(fù)合材料由非晶碳連續(xù)相和嵌在非晶碳連續(xù)相中的金剛石顆粒組成，其中金剛石顆粒表現(xiàn)出有序的sp3雜化態(tài)，非晶碳連續(xù)相表現(xiàn)出無序的sp2雜化態(tài)。本發(fā)明還公開一種制備上述金剛石/非晶碳復(fù)合材料的工藝方法。該工藝方法包括以sp3碳粉體或玻璃碳為原料通過燒結(jié)獲得所述材料。該金剛石/非晶碳復(fù)合材料顯示出良好的導(dǎo)電特性以及良好的電火花加工能力，化學(xué)穩(wěn)定性好且質(zhì)地較輕，在航空航天、汽車工業(yè)和生物醫(yī)學(xué)設(shè)備中有著廣闊的應(yīng)用前景。中有著廣闊的應(yīng)用前景。中有著廣闊的應(yīng)用前景。

技術(shù)研發(fā)人員：趙智勝 劉兵 李子鶴 武英舉 羅坤 孫磊 李寶忠 何巨龍 于棟利 柳忠元 胡文濤 徐波 田永君

受保護(hù)的技術(shù)使用者：燕山大學(xué)

技術(shù)研發(fā)日：2021.11.23

技術(shù)公布日：2023/5/23