无机高分子结合剂在超硬材料制品中应用

1、无机高分子结合剂在超硬材料制品中应用 文/黄曦 陕西德谦科技有限公司前言伴随着环境污染的恶化和石油资源的日趋枯竭，以丰富而廉价的无机矿物质为原材料，制备无毒、耐高温、耐老化、高强度、而且多功能化的无机材料，越来越多地取代有机材料，成为当今材料学研究的重要方向之一。无机合成与制备在固体化学和材料化学研究中占有重要的地位，是化学和材料科学的基础学科。无机合成与制备化学的宗旨是制造新物质。在实际的固体化学和材料化学研究领域里，无机合成与制备化学研究分散在各自具体的研究之中，然而，无机合成与制备化学学科本身的系统而规律性的研究必将促进固体化学和材料化学研究的发展。无机高分子结合剂正是超硬材料制品中利用

2、其新的凝聚态和聚集态以及具有可控性能的新材料。在绿色(节能、高效、洁净、经济)工艺路线应用的指导原则下，以超硬材料制品领域在现有的原材料（金刚石、立方氮化硼），以无机高分子材料为结合剂和其它辅料，采用合理的、科学的、先进的工艺复合技术，为提高我国超硬材料制品的质量、应用领域、快速推广，提供一种节能、高效、洁净与经济性的应用方向与前沿方法。目前还没有以无机高分子结合剂在超硬材料制品基础性研究论文和综述的发表。本研究从09年开始在无机高分子结合剂系列在超硬材料应用方面做了些初步的探索工作，积累了一定的经验。本文力争比较全面地对无机高分子结合剂在超硬制品这类材料进行总结，为后续的研究工作提供一个借鉴

3、。1 无机高分子结合剂简述1.1 无机高分子新材料的概念及发展现状无机高分子，又称为无机聚合物，属于无机化学和高分子化学之间古老而新兴的交叉学科。传统无机化学中许多内容属于无机聚合物 如：金刚石、石墨、二氧化硅、玻璃、陶瓷、氧化硼等。第一届国际无机聚合物会议（1961）将之定义为：凡在主链上不含碳原子的多聚化合物， 称谓无机聚合物。此定义相当于将离子晶体和固态金属也包括进去了。因此，一般定义为：主链由非碳原子共价键结合而成的巨大分子。无机聚合物是由非碳原子(N、P、O、S等杂原子)组成的大分子物质, 原子间主要以共价键相结合, 形成与有机聚合物中的碳链相类似的杂原子主链。与有机聚合物相比, 无

4、机聚合物具有许多独特的性能，问世以来，一直受到人们的关注。国内外研究基本上集中在：以有机桥基和金属离子为单元，构筑各类具有功能特性的聚合物。国内外前沿领域：设计合成有机配体，组装具有纳米孔洞的金属-有机纳米笼、金属-有机纳米管、金属-有机纳米线以及一维、二维或三维的新型无机聚合物。无机聚合物的范围非常广泛，随着研究深入，不断地向高性能化、多功能化、精细化、智能化发展。新型无机聚合物将成为集金属、陶瓷和有机聚合物于一身的新型材料。1.2 无机高分子材料简介1.2.1无机高分子材料的组成及形成原理无机高分子结合剂的化学成份为类聚合铝硅酸盐，其聚合物缩聚成高分子，聚合度较高；是由Si、Al、O、P、

5、N为主链，引入CH3-、C-C6H6-、NH2-、CH2=CH-元素或基团等链节通过共价键或离子键构成的。无机高分子聚合材料是通过对新型无机高分子聚合物合成、规律及性能的研究，采用纳米笼技术设计，利用无机高化学活性组分的化合物作为前驱体在碱（酸）催化剂的存在下，在液体化学中溶解络合、分散迁移、自组装配位桥联，在能量动态反应机理控制过程中分离和表征出大量的中间态产物，从而获得具有良好的力学性能和物理形态上呈三维空间网络结构的化学稳定性。1.2.2 无机高分子材料的性能应用简介无机高分子结合剂的化学组成是以非碳元素通过共价键或离子键构成主链的无机高分子。其由尺度为纳米级的粒子堆积桥联聚合固化而成，

6、它在较低温度下固结就能达到致密化，同时它的小尺寸效应、表面和界面效应，量子尺寸效应和量子隧道效应，使得它具有独特的性能，它的出现将有助于解决无机高分子结合剂的强化和增韧问题。具体地说无机高分子材料具有以下独特性能：1)粒径小、比表面积大和高的化学性粘结，提高产品性能；反应性低温固结，节约能源；2)使材料的组成结构致密化、均匀化，改善材料组织的性能，提高使用的可靠性；3)可以从量子数量级上控制材料的成分和结构，有利于充分发挥无机高分子材料的潜在性能，使无机高分子结合剂材料的组织结构和性能的定向设计成为可能。低温（180）反应固结后，粘结性强、机械强度大、断裂能大、韧性好、耐温耐蚀耐磨、膨张系数小

7、、理化性能稳定，满足作为超硬材料制品所必需的条件，另外在制作固结磨具、涂附磨具、刹车材料、耐温保温材料、结构性材料等制品比众多其它传统材料不但质量提高，而且还具有传统材料所不具有的独特功能。在固结磨具的应用中，高速陶瓷、重负荷磨具（100m/s）已经开始应用，并且对于以前按传统方法解决不了的固结磨具问题，无机高分子结合剂的介入，反而使问题简单；由于无机高分子结合剂的剥离强度优异，在涂附磨具上也在进行试用；无机高分子结合剂组合物系列抗拉强度在5003500N/mm2(电镀镍基结合剂为345449N/mm2)，可以在合理的工艺下替代超硬材料的电镀制品；在陶瓷合金等结构性材料上也已批量使用。2 无机

8、高分子结合剂在超硬材料制品中的应用2.1 无机高分子结合剂在超硬材料制品中的应用优势目前超硬材料制品的方法主要有热硬化树脂、陶瓷-玻璃烧成、金属烧结及金属电镀等。 以陶瓷结合剂中使用的立方氮硼磨粒为例，由于磨具烧结过程中，不仅要经受较高温度作用，而且还会不可避免地与陶瓷结合剂中的各种组份接触，特别是其中起助熔作用的各种组份如各种碱性氧化物(Na20，K20，Li20)，这些组份在高温时会与CBN发生如下反应：BN+Na20+02Na20B203+N2 (1)BN+Na20+H20Na20B203+HN2 (2)上述反应说明高温烧结过程中结合剂对CBN造成一定的侵蚀，从而导致昂贵的结晶完好棱角分

9、明的CBN单晶侵蚀变细，使CBN强度受损，而且分解产生的气体在CBN陶瓷结合剂界面处聚集，生成气泡，从而使两者界面间的结合强度大大降低，减少了结合剂对CBN的把持力，因此，要求所选用的CBN单晶必须具有晶形完整、无缺陷、耐热性好、强度高的特点。这样才能使制成的陶瓷结合剂立方氮化硼制品发挥良好的作用；同样，金刚石在超过800时也会碳化而影响其性能。结合剂为树脂的超硬材料制品，虽没有以上问题，但树脂结合剂化学、物理性能不太稳定，外形不易保持；高温下结合剂变软、老化，强度降低，甚至烧毁，抗腐蚀性差等缺点，这样，在一些方面则不宜使用。无机高分子材料比常规的玻璃态、陶瓷基和有机结合剂具有很明显的优点。首

10、先，具有重要意义的是它们可在远低于玻璃态、陶瓷基结合剂的较低的温度下（120180）缩合形成（这一点与有机结合剂相同）具有均匀的主旨结构。形成对照的是，玻璃态、陶瓷基结合剂必须在其熔化温度下形成，并保持于该温度以便其流动，从而覆盖基料形成粘合体，这样的粘合体在这种情况下与基料的浸润性、表面活性差，形成与基料的粘合力不强；水性无机高分子结合剂与磨料之间的浸润性好（这一点与有机结合剂相同）、表面活性大、界面能小，它们不但结合力强，无机高分子结合剂是低温缩合形成的致密结构，不但具有比玻璃态、陶瓷基的粘合强度高，化学性质稳定，而且韧性更好，常规有机结合剂的模量小而脆性较大，且化学性质相对不稳定，耐高温

11、、保型性差，而无机高分子结合剂与玻璃态、陶瓷基结合剂相比却是模量小韧性大，且无机高分子本身是个氧化物网络结构体系，化学性质稳定，在8001900（系列产品的耐温不一样）之间不氧化、不分解。同时也解决了原先陶瓷在实验室规模下能够稳定重复制造，在扩大的生产规模下常常难于重现的问题，成为在生产规模下可能重复再现稳定性，这些常常是原材料波动和工艺装备有所变化的条件下难于实现，这是陶瓷制备中的关键问题之一。无机高分子材料制品的一致性，是它能大规摸推广应用的最关键问题之一。2.2 无机高分子结合剂在超硬材料制品中的应用工艺及性能简介无机高分子结合剂在超硬材料制品中的应用工艺是依据复合材料的理论体系为指导，

12、以满足应用性能为目的，以材料的性能为基础，形成配套制造工艺技术，包括超硬材料的选择、结合剂系列的选择、基体加工技术、均匀成型技术、精密加工技术、表面处理技术、检测技术、专用工装设备等，如何解决投摊料、毛坯密度组织均匀、变形等一系列的技术问题。无机高分子结合剂在超硬材料制品中使用的原材料包括：无机高分子结合剂系列体系、超硬材料、辅料以及增强材料和基体；其中辅料包括金属粉末、金属纤维、碳纤维、玄武岩纤维或有机的芳纶纤维等，且这些纤维依据超硬材料制品的不同，可以是晶须、短切或网状，这些要素在下面有不同的使用；另外还有一点应当注意，超硬材料一般经过酸洗，表面或晶隙间有残存的酸，必须要经过碱返洗，因为无

13、机高分子结合剂为碱性，有残存的酸，会影响结合剂与超硬材料的界面效应，进而影响制品的性能。替代热硬化树脂、陶瓷-玻璃烧成、金属烧结的超硬材料制品的工艺大致如下：无机高分子结合剂与超硬材料混合搅拌活化脱水成粒加增强材料压制成型烘干固化修正。这种方法生产的陶瓷CBN砂轮，满足150250m/s的速度磨削。替代金属电镀方法的超硬材料制品的工艺大致如下：基体处理基体涂附无机高分子结合剂套（缠）网状增强材料涂结合剂置超硬材料烘干涂结合剂烘干固化。这种方法制成的金刚石砂轮，满足500m/s的速度磨削。以上是我们以无机高分子结合剂制作超硬材料制品工艺方法提一些粗浅的看法。虽然这一工艺技术还不被该行业所掌握，并

14、且尚有若干具体问题有待认真总结经验，研究解决。今天，我们只是谈谈对无机高分子结合剂在超硬材料制品行业应用的一些认识，抛砖引玉，希望对大家有益。结束语1、为金刚石、立方氮化硼等超硬材料制品提供了难得的理想结合剂。由于金刚石、立方氮化硼对结合剂有特殊的要求，传统的陶瓷结合剂除烧制温度太高，生产过程不易控制外，在生产制造时，由于超硬材料的惰性，使结合剂对磨粒的润湿和粘结能力差，特别是金刚石，降低了结合剂对磨粒的结合强度。2、无机高分子结合剂材料的固化温度仅需120180，与现有陶瓷的工艺相比，可降低处理工艺温度，可谓是名副其实的低温陶瓷结合剂，缩短磨具制品热处理工艺时间。不但使生产过程易于控制，还极大的降低了能耗，提高了生产效率。3、很好地解决了传统陶瓷结合剂生产的磨具脆性大、冲击易出现缺口的技术难题。收缩变形小，产品质量易控制，产品几乎不用修正。4、使为用户量身定做超硬材料制品成为可能。用户使用材料的方向千差万别，加之新用途层出不穷，这就要求制品性能要与之相适应；由于该材料在18