De prestatievoordelen van thermisch stabiele polykristallijne diamant (PCD) komen voort uit het nauwgezette samenstellingsontwerp en voorbereidingsproces. Het is niet simpelweg een kwestie van het stapelen van diamantpoeder, maar eerder een combinatie van zorgvuldig geselecteerde grondstoffen, geoptimaliseerde bindingsfasen en een speciale na-behandeling om een superhard composietmateriaal te construeren dat de stabiliteit van de diamantfase en de structurele integriteit bij hoge temperaturen behoudt. Het begrijpen van de samenstellingsmethoden helpt de essentie van materiaalprestatievorming te begrijpen en biedt een theoretische basis voor toepassingsselectie.
Op grondstofniveau gebruikt thermisch stabiel PCD hoog-zuiver enkel-kristaldiamantmicronpoeder als kerncomponent. De deeltjesgrootte wordt doorgaans gecontroleerd in het bereik van micrometer tot submicrometer, en een uniforme deeltjesgrootteverdeling wordt verkregen door rigoureus zeven. Een meer uniforme deeltjesgrootte helpt bij het vormen van een dicht en continu korrelgrensnetwerk, waardoor lokale zwakke punten worden verminderd die worden veroorzaakt door aanzienlijke verschillen in deeltjesgrootte. Ook de kristalvorm van de grondstof moet geoptimaliseerd worden; een volledige kristalvorm kan het contactoppervlak en de hechtsterkte tussen deeltjes vergroten, waardoor een goede basis wordt gelegd voor het daaropvolgende sinteren.
De samenstelling van de bindingsfase is cruciaal bij het bepalen van de thermische stabiliteit. Conventionele PCD (polykristallijne diamant) maakt doorgaans gebruik van overgangsmetalen zoals kobalt en nikkel als katalysatoren en bindmiddelen. Deze metalen katalyseren de transformatie van diamant in grafiet bij hoge temperaturen, waardoor de bedrijfstemperatuur wordt beperkt. Thermisch stabiele PCD brengt aanzienlijke aanpassingen aan de samenstelling met zich mee: het verminderen van het gehalte aan katalytisch metaal en het introduceren van keramische of carbide-gebaseerde niet-metaalbindende fasen, zoals siliciden, boriden of nitriden. Deze bindingsfasen nemen niet deel aan de katalytische grafitiseringsreactie en behouden de chemische en mechanische stabiliteit bij hoge temperaturen, waardoor de thermische ontledingstemperatuur van het materiaal aanzienlijk wordt verhoogd.
Het sinterproces is de kernstap bij het vormen van een robuuste composietstructuur tussen diamantdeeltjes en de bindingsfase. Hoge- temperatuur en hoge - druk (HPHT) omstandigheden zorgen ervoor dat diamantmicrodeeltjes een plastische stroming en in elkaar grijpende structuur ondergaan onder begeleiding van de bindingsfase, waardoor een drie- dimensionaal netwerkraamwerk wordt gevormd. Dit proces vereist nauwkeurige controle van temperatuur, druk en tijd om voldoende intergranulaire binding te garanderen en tegelijkertijd overmatige warmte-inbreng te vermijden die zou kunnen leiden tot pre-grafitisering.
Na-behandeling is een belangrijke aanvullende stap bij het verlenen van thermische stabiliteit. Gebruikelijke methoden zijn onder meer hoge- temperatuurvacuüm of gloeien in een beschermende atmosfeer, waardoor de diffusie, aggregatie of deactivering van resterende katalytische metalen wordt bevorderd, waardoor hun katalytische activiteit aan de korrelgrenzen wordt verminderd. Sommige processen omvatten ook oppervlakteoxidatie of coatingafzetting om de oxidatie- en corrosieweerstand verder te verbeteren. Deze na-behandelingen reageren niet heftig met de diamantmatrix, maar verbeteren de stabiliteit van het materiaal onder wisselende hittebelastingen aanzienlijk.
Samenvattend integreert de samenstellingsmethode voor thermisch stabiele PCD de selectie van diamantpoeder van hoge- kwaliteit, het ontwerp van lage- katalyse of niet- metaalbindende fasen, nauwkeurige HPHT-sintercontrole en gerichte post- behandelingsprocessen. Dankzij dit synergetische effect in meerdere- fasen kan het de ultra-harde eigenschappen van diamant behouden, terwijl het uitstekende structurele en prestatiebehoudscapaciteiten vertoont in omgevingen met hoge- temperaturen, waardoor een betrouwbare materiaalbasis wordt geboden voor verwerking onder extreme omstandigheden.
