一种高密度抗开裂纳米改性叶蜡石复合密封传压介质及其制备方法与流程

本发明属于人造金刚石合成用超硬材料辅助材料，具体涉及一种用于高温高压（hpht）合成人造金刚石的高密度抗开裂纳米改性叶蜡石复合密封传压介质及其制备方法。

背景技术：

1、人造金刚石通常采用高温高压（hpht）法合成。叶蜡石因其良好的传压性、密封性、绝缘性和保温性能，常被制成叶蜡石块或复合传压介质，用于构成人造金刚石合成腔体。然而，传统叶蜡石传压块在实际应用中普遍存在以下问题：（1）单面压制或普通双面压制工艺导致生坯上下表面密度差大，高温高压下各向传压不均，影响合成腔体内压力场的均匀性，进而降低金刚石单产和品级。（2）叶蜡石在高温下易发生相变脱水，若内部水分残留过多或颗粒级配不合理，会产生微裂纹甚至炸裂（放炮），造成合成失败和安全事故。（3）传统叶蜡石块的密封性随温度升高而下降，难以满足长时间高温高压合成的需求。

2、为改善上述问题，现有技术通常从以下方向进行改进：一是通过添加无机改性组分和粘结剂来调节传压介质的组分与结构；二是通过优化颗粒级配（如采用多级粒度混合）来提高堆积密度和填充均匀性；三是通过改进成型工艺（如等静压、双向压制等）来降低生坯密度差；四是通过调整热处理或干燥制度来控制水分释放和相变行为。然而，现有改进方法均局限于单一环节或单一参数的优化，未能实现全流程系统化的协同设计。因此，现有叶蜡石传压介质在高温高压条件下仍面临着以下不足：改性组分在基体中分散不均，导致局部性能波动；生坯上下表面密度差偏大，造成传压各向异性；干燥过程中水分释放过快或残余水分过高，容易诱发微裂纹乃至放炮等，使得人造金刚石产品在密封稳定性、传压均匀性与抗开裂性能难以同步提升，制约了其进一步发展。

3、有鉴于此，特提出本发明。

技术实现思路

1、本发明旨在提供一种高密度抗开裂纳米改性叶蜡石复合密封传压介质及其制备方法。通过特定三级粒度物理级配、纳米改性材料表面包覆、双面顶压成型及五段式程序控温干燥的组合，共同提高成型体的致密性和抗开裂性能。

2、为实现上述目的，本发明提供一种高密度抗开裂纳米改性叶蜡石复合密封传压介质的制备方法，按重量份数计，所述传压介质的制备原料包括以下组分：天然叶蜡石88~94份、纳米改性材料2~6份及水玻璃粘结剂4~8份，且各组分的总重量份数为100份；

3、所述纳米改性材料为纳米滑石、纳米硬水铝石、纳米金红石和纳米赤铁矿中的至少一种；

4、具体制备方法包括以下步骤：

5、（1）将天然叶蜡石原矿破碎、研磨和筛分，分离出粒径为1 mm~2.36 mm的粗颗粒、粒径为0.5 mm~1 mm的中颗粒、粒径为0.1 mm~0.5 mm的细颗粒，按粗、中、细质量比为（2~3）：3：（4~5）的配比称取各粒径区间的叶蜡石颗粒并混合均匀；

6、（2）将所述纳米改性材料分散于无水乙醇中，加入分散剂进行超声分散，形成稳定的纳米悬浮液；

7、（3）将步骤（2）所得悬浮液以雾化喷淋方式施加至处于翻滚状态的叶蜡石颗粒表面，混合均匀并挥发干燥，得到表面包覆的级配粉体；

8、（4）向步骤（3）所得级配粉体中加入水玻璃粘结剂，搅拌均匀，得到混合料；

9、（5）将步骤（4）所得混合料置于模具中，采用双面顶压工艺压制成型，得到生坯方块；

10、（6）将步骤（5）所得生坯方块放入程序控温烘箱中进行五阶段阶梯式升温干燥，冷却后即得成品。

11、在一优选的实施方式中，所述纳米滑石的粒径d50为50 nm~200 nm，纳米硬水铝石的粒径d50为30 nm~150 nm，纳米金红石的粒径d50为40 nm~120 nm，纳米赤铁矿的粒径d50为40 nm~120 nm。

12、在一优选的实施方式中，步骤（1）中，所述粗颗粒、中颗粒和细颗粒的质量比为2∶3∶5或3∶3∶4。

13、本发明通过设计特定的三级颗粒级配，使细颗粒恰好填满中颗粒之间的间隙，中颗粒填满粗颗粒之间的间隙，从而获得最小的孔隙率和最大的初始堆积密度，更利于后续对叶蜡石进行纳米包覆。

14、在一优选的实施方式中，步骤（2）中，所述纳米改性材料和无水乙醇的质量比为1：（5.7~19.5）。

15、在一优选的实施方式中，步骤（2）中，所述分散剂为聚乙二醇400或聚乙烯吡咯烷酮k30，所述分散剂的加入量为纳米改性材料重量的0.5%~3%。

16、在一优选的实施方式中，步骤（2）中，所述超声分散的功率密度为50 w/l~100 w/l，时间为20 min~60 min。

17、在一优选的实施方式中，步骤（2）中，所述纳米悬浮液的固含量为5 wt%~15 wt%，zeta电位绝对值≥35 mv。

18、在一优选的实施方式中，步骤（3）中，所述雾化喷淋的喷嘴孔径为0.5 mm~1.5 mm，喷淋压力为0.2 mpa~0.5 mpa，喷淋流量为50 ml/min~200 ml/min。

19、在本发明中，对于纳米悬浮液的固含量、zeta电位和喷淋参数（喷嘴孔径、压力、流量）进行了针对性设计，确保纳米颗粒在悬浮液中处于单分散状态，并以雾化液滴的形式均匀沉积在翻滚的叶蜡石颗粒表面。若固含量过低会导致包覆层过薄、无法形成连续膜；固含量过高则悬浮液粘度增大、雾化效果变差。同时，实验发现zeta电位低于35mv时，纳米颗粒在喷淋和干燥过程中会发生团聚，破坏包覆层的均匀性。

20、在一优选的实施方式中，步骤（3）中，所述喷淋完成后，还包括继续翻滚10 min~30min，再进行挥发干燥。

21、在一优选的实施方式中，步骤（3）中，所述挥发干燥的具体操作包括：在60℃~90℃下挥发干燥至残余乙醇含量≤0.5 wt%。

22、在一优选的实施方式中，步骤（3）中，所述表面包覆级配粉体的d50为0.3 mm~1.5mm，bet比表面积为10 m2/g~30 m2/g。

23、在一优选的实施方式中，步骤（4）中，所述水玻璃粘结剂的模数为2.0~3.5，波美度为30°bé~50°bé。

24、在一优选的实施方式中，步骤（4）中，所述水玻璃粘结剂以喷雾方式加入，加入后继续搅拌5 min~15 min。

25、在一优选的实施方式中，步骤（5）中，所述双面顶压工艺的压制压力为250 mpa~300 mpa，保压时间为10 s~30 s。

26、本发明采用上、下冲头同时施压，使压力从两侧向中心对称传递，在中性面处达到平衡，从而使整个厚度方向上的密度分布趋于一致。同时，压制压力也是针对叶腊石颗粒级配和包覆层的力学特性进行了适应性设计，若压力过低不足以使颗粒充分重排和塑性变形；压力过高则可能导致纳米包覆层被破坏或叶蜡石颗粒本身发生破碎。

27、在一优选的实施方式中，步骤（5）中，所述压制成型的生坯方块呈空心立方体形状，外轮廓尺寸为53 mm×53 mm×53 mm，壁厚为8 mm~12 mm。

28、在一优选的实施方式中，步骤（6）中，所述五段式程序干燥的各阶段温度、保温时间和升温速率满足以下条件：

29、第一阶段：以1.0℃/min~2.0℃/min的速率升温至95℃~105℃，保温6 h~10 h；

30、第二阶段：以0.5℃/min~1.5℃/min的速率升温至115℃~135℃，保温4 h~6 h；

31、第三阶段：以0.5℃/min~1.0℃/min的速率升温至175℃~185℃，保温3 h~4 h；

32、第四阶段：以0.3℃/min~0.8℃/min的速率升温至225℃~235℃，保温3 h~4 h；

33、第五阶段：以0.3℃/min~0.5℃/min的速率升温至275℃~285℃，保温3 h~5 h。

34、在本发明的五段式控温干燥过程中，第一阶段脱除游离水和残余乙醇，这些水分以液态存在于颗粒间隙中，蒸发速度快，需要较长的保温时间来避免表面快速干燥结壳；第二阶段脱除毛细管水，这些水分存在于微细孔隙中，需要较高的温度驱动扩散；第三阶段水玻璃开始初步脱水缩合，释放结构水，升温速率需放缓以避免水蒸气压力骤增；第四阶段水玻璃进一步交联固化，同时纳米改性材料开始发生部分脱水；第五阶段完成最后的脱水反应。

35、在一优选的实施方式中，步骤（6）中，所述传压介质成品的体积密度在2.65g/cm3以上，其上表面和下表面的密度差在0.04g/cm3以下，经高温烧结后的无开裂，密封泄漏体积流量在0.13 ml/min以下。

36、本发明的另一目的在于提供上述任意一项方法制备得到的纳米改性叶蜡石复合密封传压介质。

37、与现有技术相比，本发明的技术方案具有如下优点：

38、在本发明中，通过特定三级粒度物理级配、纳米改性材料表面包覆、双面顶压成型及五段式程序控温干燥的组合，共同提高成型体的致密性和抗开裂性能，具体而言：

39、三级粒度物理级配遵循紧密堆积理论，使粗、中、细三级颗粒按特定比例相互填充，最大程度降低了孔隙率并提高了初始堆积密度，为后续压制提供致密的颗粒骨架基础。

40、纳米改性材料表面包覆通过超声分散和雾化喷淋在叶蜡石颗粒表面形成连续均匀的核壳结构，一方面利用纳米滑石的层状润滑效应缓解应力集中以抑制微裂纹萌生，另一方面使纳米硬水铝石和金红石精准定位于颗粒界面，在高温下原位生成陶瓷结合相并降低热导率，从而同步实现界面强化和热学调控的双重作用。

41、双面顶压成型通过上、下冲头同步施压消除单面压制固有的压力梯度，使生坯沿厚度方向的密度分布趋于一致，确保整体密度和密度均匀性同步达标。

42、五段式程序控温干燥通过精确匹配各温度区间的水分存在形态和逸出动力学，使游离水、毛细管水和结合水分阶段缓慢排出，既彻底去除残余水分以防止高温放炮，又避免因表层快速干燥结壳导致的内应力开裂，最终保证成品在高温高压使用条件下的结构完整性和可靠性。

43、通过以上技术手段的协同作用，本发明解决了长期以来传压介质领域高密度与低密度差难以兼顾，易开裂、放炮等技术问题，为人造金刚石的高温高压合成提供了一种性能优异、质量稳定、安全可靠的传压密封解决方案。