Ytelsesfordelene til termisk stabil polykrystallinsk diamant (PCD) stammer fra dens omhyggelige sammensetningsdesign og forberedelsesprosess. Det er ikke bare et spørsmål om å stable diamantpulver, men snarere en kombinasjon av nøye utvalgte råvarer, optimaliserte bindingsfaser og spesiell etter-behandling for å konstruere et superhardt komposittmateriale som opprettholder stabiliteten til diamantfasen og strukturell integritet ved høye temperaturer. Å forstå komposisjonsmetodene hjelper til med å forstå essensen av dannelsen av materialytelse og gir et teoretisk grunnlag for applikasjonsvalg.
På råvarenivå bruker termisk stabil PCD høy-renhet enkelt-diamantmikronpulver som sin kjernekomponent. Partikkelstørrelsen kontrolleres vanligvis i området mikrometer til submikrometer, og en jevn partikkelstørrelsesfordeling oppnås gjennom streng sikting. En mer jevn partikkelstørrelse bidrar til å danne et tett og kontinuerlig korngrensenettverk, og reduserer lokale svake punkter forårsaket av betydelige forskjeller i partikkelstørrelse. Råvarens krystallform må også optimaliseres; en komplett krystallform kan øke kontaktarealet og bindingsstyrken mellom partikler, og legge et godt grunnlag for senere sintring.
Sammensetningen av bindingsfasen er avgjørende for å bestemme termisk stabilitet. Konvensjonell PCD (polykrystallinsk diamant) bruker vanligvis overgangsmetaller som kobolt og nikkel som katalysatorer og bindemidler. Disse metallene katalyserer omdannelsen av diamant til grafitt ved høye temperaturer, og begrenser driftstemperaturen. Termisk stabil PCD innebærer betydelige justeringer av sammensetningen: reduksjon av innholdet av det katalytiske metallet og introduksjon av keramikk- eller karbidbaserte-ikke-metalliske bindingsfaser, som silicider, borider eller nitrider. Disse bindingsfasene deltar ikke i den katalytiske grafitiseringsreaksjonen og opprettholder kjemisk og mekanisk stabilitet ved høye temperaturer, og øker dermed materialets termiske dekomponeringstemperatur betydelig.
Sintringsprosessen er kjernetrinnet i å danne en robust komposittstruktur mellom diamantpartikler og bindingsfasen. Forhold med høy-temperatur, høyt-trykk (HPHT) gjør at diamantmikropartikler kan gjennomgå plastisk flyt og sammenlåsing under veiledning av bindingsfasen, og danner et tre-nettverksrammeverk. Denne prosessen krever nøyaktig kontroll av temperatur, trykk og tid for å sikre tilstrekkelig intergranulær binding samtidig som man unngår overdreven varmetilførsel som kan føre til pre-grafitisering.
Etter-behandling er et viktig tilleggssteg for å gi termisk stabilitet. Vanlige metoder inkluderer høy-temperaturvakuum eller beskyttende atmosfæregløding, som fremmer diffusjon, aggregering eller deaktivering av gjenværende katalytiske metaller, og reduserer deres katalytiske aktivitet ved korngrenser. Noen prosesser inkluderer også overflateoksidasjon eller beleggavsetning for ytterligere å forbedre oksidasjons- og korrosjonsmotstanden. Disse etter-behandlingene reagerer ikke voldsomt med diamantmatrisen, men forbedrer materialets stabilitet betydelig under vekslende varmebelastninger.
Oppsummert, sammensetningsmetoden for termisk stabil PCD integrerer utvalget av høy-kvalitets diamantpulver, utformingen av lav-katalyse eller ikke-metalliske bindingsfaser, presis HPHT-sintringskontroll og målrettede etter-behandlingsprosesser. Denne flertrinns synergistiske effekten lar den beholde de ultra-harde egenskapene til diamant samtidig som den viser utmerkede strukturelle og ytelsesbevarende evner i miljøer med høye-temperaturer, og gir et pålitelig materialgrunnlag for prosessering under ekstreme forhold.
