clover2011
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编译 | 未玖
Nature , 21 October 2021, VOL 598, ISSUE 7881
《自然》 2021年10月21日，第598卷，7881期
天文学 Astronomy
Carbon monoxide gas produced by a giant impact in the inner region of a young system
年轻星系内部发生巨大碰撞产生一氧化碳气体
作者：Tajana Schneiderman, Luca Matrà, Alan P. Jackson, Grant M. Kennedy, Quentin Kral, Sebastián Marino, et al.
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摘要
类地行星形成的模型预测，行星组合的最后阶段（年轻的原行星盘扩散之后持续的数千万年间）主要发生行星碰撞。正是通过这些巨大的撞击，像年轻的地球这样的行星才能成长到最终质量，并实现长期稳定的轨道结构。
一个关键预测是这些撞击会产生碎片。到目前为止，关于撞击后碎片最令人信服的观测证据来自于附近2300万年前的A型恒星HD172555周围的行星系。该星系显示大量细尘，具有异常陡峭的粒度分布和非典型的尘埃组成，此前将其归因于超高速撞击或巨大的小行星带。
研究组报道了一个与HD172555周围的尘埃碎片共轨的一氧化碳气体环的光谱分辨率探测结果，气体环与HD172555相距大约6到9个天文单位，类似于太阳系的外类地行星区域。
综上所述，尘埃和一氧化碳的检测结果有助于理解大型、易挥发性天体之间的巨大碰撞。这表明行星级的碰撞类似于月球形成的碰撞，可释放大量的气体和碎片，并且这种气体是可观测的，为了解年轻行星的组成提供了一个窗口。
Abstract
Models of terrestrial planet formation predict that the final stages of planetary assembly—lasting tens of millions of years beyond the dispersal of young protoplanetary disks—are dominated by planetary collisions. It is through these giant impacts that planets like the young Earth grow to their final mass and achieve long-term stable orbital configurations. A key prediction is that these impacts produce debris. So far, the most compelling observational evidence for post-impact debris comes from the planetary system around the nearby 23-million-year-old A-type star HD 172555. This system shows large amounts of fine dust with an unusually steep size distribution and atypical dust composition, previously attributed to either a hypervelocity impact or a massive asteroid belt. Here we report the spectrally resolved detection of a carbon monoxide gas ring co-orbiting with dusty debris around HD 172555 between about six and nine astronomical units—a region analogous to the outer terrestrial planet region of our Solar System. Taken together, the dust and carbon monoxide detections favour a giant impact between large, volatile-rich bodies. This suggests that planetary-scale collisions, analogous to the Moon-forming impact, can release large amounts of gas as well as debris, and that this gas is observable, providing a window into the composition of young planets.
材料科学 Materials Science
Half- and quarter-metals in rhombohedral trilayer graphene
菱面体三层石墨烯中的半金属和四分之一金属
作者：Haoxin Zhou, Tian Xie, Areg Ghazaryan, Tobias Holder, James R. Ehrets, Eric M. Spanton, et al.
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摘要
铁磁性在电子占据高度局域化d轨道的过渡金属化合物中最为常见。然而，在低密度二维电子系统中也可能出现铁磁有序。
研究组证明了菱面体三层石墨烯中的门调谐范霍夫奇点，驱动电子系统的自发铁磁极化转变为一种或多种自旋和谷型。
通过电容和输运测量，研究组观察到调谐至相位间载流子浓度和电位移场的一系列跃迁，其中量子振荡具有四重、二重或一重简并度，分别对应自旋和谷简并的“正常金属态”、自旋极化的“半金属态”以及自旋极化和谷极化的“四分之一金属态”。
对于电子掺杂，包含谷各向异性相互作用的唯象斯通纳模型很好地捕捉到了数据的显著特征。对于空穴填充，研究组观察到一个更丰富的相图，其特征是费米面拓扑中对称性破缺和跃迁的微妙相互作用。
最后，研究组通过旋转对齐的六方氮化硼衬底引入莫尔超晶格。值得注意的是，研究组发现同位旋序仅受到弱扰动，当迁移的半金属态或四分之一金属态填充半超晶格带或四分之一超晶格带时，莫尔势会催化拓扑非平凡间隙态的形成。
该结果表明，菱面体石墨烯是一个多体理论控制测试的理想平台，并揭示了莫尔材料的磁性本质上是迁移的。
Abstract
Ferromagnetism is most common in transition metal compounds where electrons occupy highly localized d orbitals. However, ferromagnetic order may also arise in low-density two-dimensional electron systems. Here we show that gate-tuned van Hove singularities in rhombohedral trilayer graphene drive spontaneous ferromagnetic polarization of the electron system into one or more spin and valley flavours. Using capacitance and transport measurements, we observe a cascade of transitions tuned to the density and electronic displacement field between phases in which quantum oscillations have fourfold, twofold or onefold degeneracy, associated with a spin- and valley-degenerate normal metal, spin-polarized ‘half-metal’, and spin- and valley-polarized ‘quarter-metal’, respectively. For electron doping, the salient features of the data are well captured by a phenomenological Stoner model that includes valley-anisotropic interactions. For hole filling, we observe a richer phase diagram featuring a delicate interplay of broken symmetries and transitions in the Fermi surface topology. Finally, we introduce a moiré superlattice using a rotationally aligned hexagonal boron nitride substrate. Remarkably, we find that the isospin order is only weakly perturbed, with the moiré potential catalysing the formation of topologically nontrivial gapped states whenever itinerant half- or quarter-metal states occur at half- or quarter-superlattice band filling. Our results show that rhombohedral graphene is an ideal platform for well-controlled tests of many-body theory, and reveal magnetism in moiré materials to be fundamentally itinerant in nature.
Superconductivity in rhombohedral trilayer graphene
菱面体三层石墨烯的超导性
作者：Haoxin Zhou, Tian Xie, Takashi Taniguchi, Kenji Watanabe & Andrea F. Young.
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摘要
在一个干净的二维器件中通过电场效应获得超导性是纳米电子学的一个核心目标。最近，石墨烯莫尔异质结构已实现超导性；然而，其中许多结构在机械上并不稳定，实验显示出强无序特征。
研究组报道了在亚开尔文温度下表现为低电阻率或零电阻率的晶体菱面三层石墨烯（一种结构上亚稳态的碳同素异形体）的超导性。超导性发生在两个不同的门调谐区（SC1和SC2），且深度在由平均自由程和超导态相干长度之比定义的干净极限内。
量子振荡对常态费米面的映射显示，这两种超导体都来自环形费米海，并且接近同位旋对称性破缺转变，其中费米面简并度发生变化。SC1从顺磁正常态出现，而SC2则从自旋极化、谷简并的半金属态中出现，且违反了面内磁场的泡利极限至少一个数量级。
研究组讨论了该结果的各种机制，包括传统的声子介导配对，近同位旋序波动产生的配对，以及环形费米液体的固有不稳定性导致的配对。
研究组为干净且结构简单的二维金属中超导性的观察提供了一个模型系统，用于测试相互竞争的超导理论模型，而不会出现建模混乱的复杂情况，同时使基于相关电子现象和弹道电子输运的新型场效应控制电子器件成为可能。
Abstract
To access superconductivity via the electric field effect in a clean, two-dimensional device is a central goal of nanoelectronics. Recently, superconductivity has been realized in graphene moiré heterostructures; however, many of these structures are not mechanically stable, and experiments show signatures of strong disorder. Here we report the observation of superconductivity—manifesting as low or vanishing resistivity at sub-kelvin temperatures—in crystalline rhombohedral trilayer graphene, a structurally metastable carbon allotrope. Superconductivity occurs in two distinct gate-tuned regions (SC1 and SC2), and is deep in the clean limit defined by the ratio of mean free path and superconducting coherence length. Mapping of the normal state Fermi surfaces by quantum oscillations reveals that both superconductors emerge from an annular Fermi sea, and are proximal to an isospin-symmetry-breaking transition where the Fermi surface degeneracy changes. SC1 emerges from a paramagnetic normal state, whereas SC2 emerges from a spin-polarized, valley-unpolarized half-metal and violates the Pauli limit for in-plane magnetic fields by at least one order of magnitude. We discuss our results in view of several mechanisms, including conventional phonon-mediated pairing, pairing due to fluctuations of the proximal isospin order, and intrinsic instabilities of the annular Fermi liquid. Our observation of superconductivity in a clean and structurally simple two-dimensional metal provides a model system to test competing theoretical models of superconductivity without the complication of modelling disorder, while enabling new classes of field-effect controlled electronic devices based on correlated electron phenomena and ballistic electron transport.
Dexterous magnetic manipulation of conductive non-magnetic objects
导电非磁性物体的灵巧磁操控
作者：Lan N. Pham, Griffin F. Tabor, Ashkan Pourkand, Jacob L. B. Aman, Tucker Hermans & Jake J. Abbott.
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摘要
对铁磁物体的灵巧磁操控已很好建立，根据物体的几何结构，可能有三到六个自由度。有些物体需要非接触式灵巧操作，它们不含有大量的铁磁性材料，但含有导电材料。
时变磁场在导电材料中产生涡流，涡流与磁场相互作用产生力和力矩。这种现象曾被用于诱导阻力，以减少物体通过静态场时的运动，或使用动态场在单个方向上对物体施加力，但尚未被用于对导电物体进行如铁磁物体那样的灵活操控。
研究组表明，通过使用多个旋转磁偶极子场可在六个自由度下操控导电物体。利用量纲分析，结合多物理场数值模拟和实验验证，研究组描述了在旋转磁偶极子场中导电球体上产生的力和力矩。利用该模型，研究组在仿真和物理实验中实现了灵活操控。
Abstract
Dexterous magnetic manipulation of ferromagnetic objects is well established, with three to six degrees of freedom possible depending on object geometry. There are objects for which non-contact dexterous manipulation is desirable that do not contain an appreciable amount of ferromagnetic material but do contain electrically conductive material. Time-varying magnetic fields generate eddy currents in conductive materials, with resulting forces and torques due to the interaction of the eddy currents with the magnetic field. This phenomenon has previously been used to induce drag to reduce the motion of objects as they pass through a static field, or to apply force on an object in a single direction using a dynamic field, but has not been used to perform the type of dexterous manipulation of conductive objects that has been demonstrated with ferromagnetic objects. Here we show that manipulation, with six degrees of freedom, of conductive objects is possible by using multiple rotating magnetic dipole fields. Using dimensional analysis, combined with multiphysics numerical simulations and experimental verification, we characterize the forces and torques generated on a conductive sphere in a rotating magnetic dipole field. With the resulting model, we perform dexterous manipulation in simulations and physical experiments.
地球科学 Earth Science
Pliocene decoupling of equatorial Pacific temperature and pH gradients
上新世赤道太平洋温度和pH梯度的解耦
作者：Madison G. Shankle, Natalie J. Burls, Alexey V. Fedorov, Matthew D. Thomas, Wei Liu, Donald E. Penman, et al.
链接：
摘要
赤道太平洋的海洋动力学驱动热带气候模式，影响全球海洋和陆地生态系统。该地区如何应对全球变暖对全球气候、经济稳定和生态系统 健康 具有深远影响。因此，许多研究调查了上新世（530-260万年前）和中新世晚期（约600万年前）期间的赤道太平洋动力学，作为该地区在全球变暖下未来行为的模拟。
这一时期的古海洋学记录提出了一个明显的悖论，即沿着赤道太平洋东西向的海面温度梯度降低表明风驱动的上升流减少，这与东太平洋生物生产力增强的证据相冲突，后者通常由更强的上升流引起。
研究组通过提供新的证据，证明上新世早期/中新世晚期与现代环流体制完全不同，导致更古老、更酸性和更富营养的水到达赤道太平洋，从而调和了这些观察结果。这些结果为上新世早期/中新世晚期东太平洋生产力的提高提供了一种新机制，即使在风力驱动上升流较弱的情况下也是如此。
该发现为赤道太平洋动力学提供了新的线索，并有助于限制它们在不久的将来可能发生的变化，因为预计下个世纪地球将达到上新世那样的变暖水平。
Abstract
Ocean dynamics in the equatorial Pacific drive tropical climate patterns that affect marine and terrestrial ecosystems worldwide. How this region will respond to global warming has profound implications for global climate, economic stability and ecosystem health. As a result, numerous studies have investigated equatorial Pacific dynamics during the Pliocene (5.3–2.6 million years ago) and late Miocene (around 6 million years ago) as an analogue for the future behaviour of the region under global warming. Palaeoceanographic records from this time present an apparent paradox with proxy evidence of a reduced east–west sea surface temperature gradient along the equatorial Pacific—indicative of reduced wind-driven upwelling—conflicting with evidence of enhanced biological productivity in the east Pacific that typically results from stronger upwelling. Here we reconcile these observations by providing new evidence for a radically different-from-modern circulation regime in the early Pliocene/late Miocene that results in older, more acidic and more nutrient-rich water reaching the equatorial Pacific. These results provide a mechanism for enhanced productivity in the early Pliocene/late Miocene east Pacific even in the presence of weaker wind-driven upwelling. Our findings shed new light on equatorial Pacific dynamics and help to constrain the potential changes they will undergo in the near future, given that the Earth is expected to reach Pliocene-like levels of warming in the next century.
Direct radiative effects of airborne microplastics
空气中微塑料的直接辐射效应
作者：Laura E. Revell, Peter Kuma, Eric C. Le Ru, Walter R. C. Somerville & Sally Gaw
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摘要
微塑料现在被认为是大气中广泛存在的污染物，由于其体积小、密度低，可以随风绕地球传播。大气气溶胶，如矿物粉尘和其他类型的空气悬浮颗粒物，通过吸收和散射辐射（直接辐射效应）影响地球气候，其影响通常用有效辐射强迫（ERF）度量进行量化。然而，空气中微塑料的辐射效应及其对全球气候的影响尚不清楚。
研究组计算了空气中微塑料的光学性质和直接辐射效应（不包括气溶胶-云相互作用）。假设平均表面浓度为1个微塑料颗粒/ m3 ，且垂直分布在10公里高空，则计算出当今大气中空气微塑料的ERF为0.044 0.399 mW/ m2 。
然而，微塑料的地理和垂直分布存在很大的不确定性。假设它们局限于边界层，短波效应占主导地位，微塑料ERF约为 0.746 0.553 mW/ m2 。与气溶胶-辐射相互作用引起的总ERF相比（ 0.71至 0.14 W/ m2 ），微塑料ERF很小。
然而，塑料产量在过去70年中迅速增长；如果不认真改革塑料生产和废物管理实践，空气中微塑料的丰度和ERF将继续增加。
Abstract
Microplastics are now recognized as widespread contaminants in the atmosphere, where, due to their small size and low density, they can be transported with winds around the Earth. Atmospheric aerosols, such as mineral dust and other types of airborne particulate matter, influence Earth’s climate by absorbing and scattering radiation (direct radiative effects) and their impacts are commonly quantified with the effective radiative forcing (ERF) metric. However, the radiative effects of airborne microplastics and associated implications for global climate are unknown. Here we present calculations of the optical properties and direct radiative effects of airborne microplastics (excluding aerosol–cloud interactions). The ERF of airborne microplastics is computed to be 0.044 0.399 milliwatts per square metre in the present-day atmosphere assuming a uniform surface concentration of 1 microplastic particle per cubic metre and a vertical distribution up to 10 kilometres altitude. However, there are large uncertainties in the geographical and vertical distribution of microplastics. Assuming that they are confined to the boundary layer, shortwave effects dominate and the microplastic ERF is approximately 0.746 0.553 milliwatts per square metre. Compared with the total ERF due to aerosol–radiation interactions ( 0.71 to 0.14 watts per square metre), the microplastic ERF is small. However, plastic production has increased rapidly over the past 70 years; without serious attempts to overhaul plastic production and waste-management practices, the abundance and ERF of airborne microplastics will continue to increase.
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您指的是“一种碳化钨立方氮化硼复合材料及其制备方法”吗
一种碳化钨-立方氮化硼复合材料
及其制备方法
申请号：201410271242.4
申请日：2014-06-18
申请(专利权)人河海大学
地址211100 江苏省南京市江宁开发区佛城西路8号
发明(设计)人张建峰吴玉萍 洪晟 李改叶 郭文敏
主分类号C04B35/56(2006.01)I
分类号C04B35/56(2006.01)I C04B35/628(2006.01)I
公开(公告)号104072138A
公开(公告)日2014-10-01
专利代理机构南京经纬专利商标代理有限公司 32200
代理人李纪昌唐循文
(21)申请号 201410271242.4
(22)申请日 2014.06.18
C04B 35/56 (2006.01)
C04B 35/628 (2006.01)
(71)申请人河海大学
地址211100 江苏省南京市江宁开发区佛城
西路8 号
(72)发明人张建峰 吴玉萍 洪晟 李改叶
郭文敏
(74)专利代理机构南京经纬专利商标代理有限
公司 32200
代理人李纪昌 唐循文
(54) 发明名称
一种碳化钨- 立方氮化硼复合材料及其制备
方法
(57) 摘要
一种碳化钨- 立方氮化硼复合材料及其制备
方法，涉及材料工程领域，其中碳化钨- 立方氮化
硼复合材料主要成分包括WC 和cBN，在WC 表面包
覆有Co 纳米粒子层，在cBN 粉体表面包覆有SiO2
纳米层，通过包覆纳米层提高复合材料的硬度、韧
性等性能。一种碳化钨- 立方氮化硼复合材料的
制备方法，采用化学气相沉积法和高温烧结法，首
先分别在WC 和cBN 表面包覆纳米粒子层，然后再
高温烧结获得块状材料，制成的碳化钨- 立方氮
化硼复合材料具有结构热稳定性高，硬度高等特
点，可作为高速切削刀具材料或作为钛合金、冷硬
铸铁等传统刀具难以处理的特殊材料的加工成型
领域，且本发明提供的制备方法简易，成本较低，
可实现大规模商业化生产。
1. 一种碳化钨- 立方氮化硼复合材料，其特征在于：复合材料主要成分包括WC 和
cBN，其中在WC 表面包覆有Co 纳米粒子层，其厚度为60-120 nm，在cBN 粉体表面包覆有
SiO2 纳米层，其厚度为20-100nm，包覆有SiO2 纳米层的cBN 在复合材料中的体积含量为
30-50vol%，WC 和cBN 粉体的纯度均在95% 以上。
2. 根据权利要求1 所述的碳化钨- 立方氮化硼复合材料，其特征在于：WC 粉体的平均
粒径为2um。
3. 根据权利要求1 所述的碳化钨- 立方氮化硼复合材料，其特征在于：cBN 粉体的平均
粒径为3um。
4. 根据权利要求1 所述的碳化钨- 立方氮化硼复合材料的制备方法，其特征在于，制备
步骤如下：
（1）将WC 粉体放入化学气相沉积反应室中，抽真空，预热至500-700℃，以二茂钴为
原料，蒸发温度为120-150℃，反应室开始旋转，反应时间为18-50min，包覆结束后，停止旋
转，并停止原料供应，待冷却至室温，取出；
（2）将cBN 粉体放入化学气相沉积反应室中，抽真空，预热500-700℃，以正硅酸乙酯为
原料，加热至80-130℃，反应室开始旋转，反应时间为15-50min，包覆结束后，停止旋转，并
停止原料供应，待冷却至室温，取出；
（3）将包覆后的WC 和cBN 粉体混合，其中包覆后的cBN 在混合粉体中的重量含量为
9%-18%，然后过筛；
（4）将混合过筛好的粉体放入模具，烧结制备块体材料，即碳化钨- 立方氮化硼复合材
料；
其中，烧结过程中所使用的烧结温度为1200-1500℃，压力为4-8GPa，时间为0.5-2h。
5. 根据权利要求4 所述的碳化钨- 立方氮化硼复合材料的制备方法，其特征在于，WC
粉体包覆过程在氩气保护气氛中进行，氩气的气体流量为20-50sccm。
6. 根据权利要求4 所述的碳化钨- 立方氮化硼复合材料的制备方法，其特征在于，cBN
粉体包覆过程在氩气保护气氛中进行，氩气的气体流量为10-30sccm。
7. 根据权利要求4 所述的碳化钨- 立方氮化硼复合材料的制备方法，其特征在于，步骤
（1）和步骤（2）反应室旋转速率为30-60r/min。
8. 根据权利要求4 所述的碳化钨- 立方氮化硼复合材料的制备方法，其特征在于，包覆
后的WC 和cBN 粉体的采用滚筒法混合，混合时间5-10h。
9. 根据权利要求4 所述的碳化钨- 立方氮化硼复合材料的制备方法，其特征在于，混合
后的WC 和cBN 粉体过筛的筛孔的尺寸为100-200 目，过筛次数为3 次。
一种碳化钨- 立方氮化硼复合材料及其制备方法
技术领域
[0001] 本发明属于材料工程领域，特别涉及一种高致密度、高性能的高速切削刀具材料
以及其粉体的表面处理和制备方法。
背景技术
[0002] 在机械加工中，切削或磨削加工目前仍是零件最终形成的主要工艺手段。切削加
工的主要发展方向之一是高速切削（包括高速软切削、高速硬切削、高速干切削、大进给量
切削等）。经历了理论探索、应用探索、初步应用和较成熟应用等四个阶段，高速切削技术已
在生产中得到了一定的推广，加工钢件时切削速度最高已达到2000m·min-1，加工铸铁时达
到3000m·min-1，加工铝合金则达到7000m·min-1，为普通切削速度的5 ～ 10 倍。高速切削
之所以得到工业界越来越广泛的关注，是因为它相对传统加工具有显著的优越性，如加工
时间短（效率高、成本低）、工件表面质量好（表面精度高）、不需要冷却液（绿色加工、不污染
环境）并且可以加工淬硬钢等传统加工手段难以处理的特殊材料。
[0003] 作为高速切削刀具用材料，应具有良好的机械性能和热稳定性，即具有高硬度、抗
冲击、耐磨损、抗热疲劳等特性。目前工业界采用的高速切削刀具材料主要有硬质合金、复
合氮化硅陶瓷、立方氮化硼和金刚石等。WC 和cBN 形成的复合材料，将兼具两种材料的优
点。超硬cBN 相的引入不仅会显著提高WC 硬质合金的硬度和耐磨损，其本身在复合材料
中作为超硬粒子，引发裂纹偏转从而可以进一步提高材料的韧性，由于具有优异的硬度、
耐磨损和韧性的性能组合，WC-cBN 复合材料被看作是切割刀具领域最有发展潜力的新一
代材料，引起了世界范围内的广泛关注。2007 年，西班牙纳瓦拉国立大学的Martínez 等
人采用热等静压的方法，制备出了不同cBN 含量的WC/Co-cBN 复合材料。当cBN 含量为
30vol% 时，复合材料硬度达到25Gpa ；而当cBN 提高到50vol% 时，由于所需Co 烧结助剂含
量的增加导致了cBN 向六方氮化硼（hBN）软相的相变，复合材料的硬度反而降低了4GPa
（Journal of the American Ceramic Society, 2007, 90, p415-424）。2009 年，土耳其
Eskisehir Osmangazi 大学的Yaman 等人采用放电等离子体烧结方法制备了cBN 体积含量
为25% 的WC/6wt%Co-cBN 复合材料，虽然韧性最大值达到了12MPam1/2，最大硬度只有21GPa
左右（Materials Letters, 2009, 63, p1041-1043），低于Martínez 等人的报道值。2012
年，波兰华沙工业大学的Rosinski 等人采用脉冲等离子体烧结方法制备了WC/Co-cBN 复
合材料，立方氮化硼的体积含量为30%，最大硬度为23GPa 左右（Journal of Materials
Science, 2012, 47, p7064-7071）。2007 年，国内武汉理工大学材料复合新技术国家重点
实验室的史晓亮等人用化学气相沉积法对cBN 进行了表面镀金属钛（Ti）膜预处理后，采用
热压烧结方法在温度烧结压力30MPa、1380℃保温60 min 的条件下制备了cBN 体积分数为
30％的WC-10Co-cBN 复合材料，材料的相对致密度为94.2%，强度为750MPa（机械工程材料,
2007, 31, p71-73）。除科研院所外，瑞典三特威克公司（全球领先刀具生产商）也在2012 年
公开了一篇关于WC-cBN 复合材料的专利（Method for producing a sintered composite
body, Patent WO2012038529A2, Sandvik Intellectual Property Ab.），以钴作为烧结助
剂，采用无压烧结方法在1350 °C 下制备了WC/Co-cBN 复合材料，但得到的复合材料的最
大硬度为13GPa。
[0004] 总结国内外的研究现状可以看出，虽然国内外对WC-cBN 复合材料进行了研究并
取得了初步成果，但仍然存在复合材料致密化困难、硬度和耐磨损性能不足等问题。WC 和
cBN 都属于难烧结材料，其复合材料通常以Co、Ni 等为烧结助剂（重量含量通常为6-15wt%
左右或更高）在高温下长时间无压或加压烧结才能获得。但Co、Ni 等金属本身硬度低，会
导致复合材料的硬度特别是红硬性的降低。另外一方面，高含量的金属烧结助剂还会加速
cBN 向六方氮化硼（hBN）的相变。而hBN 是类石墨软相，硬度与石墨相当，因此cBN 向hBN
的相变也将导致复合材料硬度的降低，另外相变所带来的体积变化同时会导致材料气孔率
的增加，也会引发刀具材料硬度和耐磨损性能的降低，从而导致其使用寿命进一步缩短。
发明内容
[0005] 本发明解决的技术问题：针对上述问题，本发明提供了一种在WC 和cBN 粉体表面
上分别包覆SiO2 和Co 纳米层以提高其烧结性能，抑制cBN 的相变，提高材料硬度的碳化
钨- 立方氮化硼复合材料及其制备方法。
[0006] 技术方案：一种碳化钨- 立方氮化硼复合材料，主要成分包括WC 和cBN，其中在WC
表面包覆有Co 纳米粒子层，其厚度为60-120 nm，在cBN 粉体表面包覆有SiO2 纳米层，其厚
度为20-100nm，包覆有SiO2 纳米层的cBN 在复合材料中的体积含量为30-50vol%，WC 和cBN
粉体的纯度均在95% 以上。
[0007] 作为优选，WC 粉体的平均粒径为2um。
[0008] 作为优选，cBN 粉体的平均粒径为3um。
[0009] 一种碳化钨- 立方氮化硼复合材料的制备方法，制备步骤如下：
（1）将WC 粉体放入化学气相沉积反应室中，抽真空，预热至500-700℃，以二茂钴为
原料，蒸发温度为120-150℃，反应室开始旋转，反应时间为18-50min，包覆结束后，停止旋
转，并停止原料供应，待冷却至室温，取出；
（2）将cBN 粉体放入化学气相沉积反应室中，抽真空，预热500-700℃，以正硅酸乙酯为
原料，加热至80-130℃，反应室开始旋转，反应时间为15-50min，包覆结束后，停止旋转，并
停止原料供应，待冷却至室温，取出；
（3）将包覆后的WC 和cBN 粉体混合，其中包覆后的cBN 在混合粉体中的重量含量为
9%-18%，然后过筛；
（4）将混合过筛好的粉体放入模具，烧结制备块体材料，即碳化钨- 立方氮化硼复合材
料；
其中，烧结过程中所使用的烧结温度为1200-1500℃，压力为4-8GPa，时间0.5-2h。
[0010] 作为优选，WC 粉体包覆过程在氩气保护气氛中进行，氩气的气体流量为
20-50sccm。
[0011] 作为优选，cBN 粉体包覆过程在氩气保护气氛中进行，氩气的气体流量为
10-30sccm。
[0012] 作为优选，上述步骤（1）和步骤（2）反应室的旋转速率为30-60r/min。
[0013] 作为优选，包覆后的WC 和cBN 粉体的采用滚筒法混合，混合时间5-10h。
[0014] 作为优选，混合后的WC 和cBN 粉体过筛的筛孔的尺寸为100-200 目，过筛次数为
3 次。
[0015] 有益效果：本发明提供的碳化钨- 立方氮化硼复合材料及其制备方法，是采用化
学气相沉积法和高温烧结法，首先使用化学气相沉积法，在WC 粉体表面包覆Co 纳米层，在
cBN 表面包覆SiO2 纳米层，通过在粉体表面包覆和均匀分散，减少软相粒子Co 的使用量，提
高复合材料的硬度；通过正硅酸乙酯的氧化分解在cBN 粉体表面包覆SiO2 非晶纳米层，抑
制cBN 在烧结过程中的相变，提高材料的硬度等力学性能，然后再高温烧结获得块状材料，
制成的碳化钨- 立方氮化硼复合材料具有结构热稳定性高，硬度高等特点，可作为高速切
削刀具材料或作为钛合金、冷硬铸铁等传统刀具难以处理的特殊材料的加工成型领域，而
且本发明提供的制备方法简易，成本较低，可实现大规模商业化生产。
附图说明
[0016] 图1 为本发明碳化钨- 立方氮化硼复合材料中WC 和cBN 粉体表面包覆示意图。
具体实施方式
[0017] 为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是
应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的
限制。
[0018] 根据本发明提供的碳化钨- 立方氮化硼复合材料的制备方法制备型碳化钨- 立方
氮化硼复合材料，材料选用纯度大于95% 以上粉体材料和纯度大于98% 以上的金属有机原
料，其中WC 粉体的平均粒径为2um，cBN 粉体的平均粒径为3um，所有材料在进行化学气相
沉积处理之前，已在真空中除气除湿，然后按照本发明提供的制备方法进行制备。
[0019] 实施例1
根据本发明提供的碳化钨- 立方氮化硼复合材料的制备方法制备型碳化钨- 立方氮化
硼复合材料，步骤如下：
（1）将WC 粉体放入化学气相沉积反应室中，抽真空至5Pa，预热至500℃，以二茂钴为原
料，蒸发温度为120℃，反应室开始旋转，旋转速率为30r/min，氩气气体流量为20sccm，通
过二茂钴的热分解在WC 粉体表面包覆Co 纳米粒子层，反应时间为20min，包覆结束后，停止
旋转，并停止原料供应，待冷却至室温，取出；
（2）将cBN 粉体放入化学气相沉积反应室中，抽真空至5Pa，预热500℃，以正硅酸乙酯
为原料，加热至80℃，反应室开始旋转，旋转速率为30r/min，氩气气体流量为10sccm，通过
正硅酸乙酯的氧化热分解在WC 粉体表面包覆SiO2 纳米层，反应时间为20min，包覆结束后，
停止旋转，并停止原料供应，待冷却至室温，取出；
采用FESEM 和TEM 相结合的方法测定粉体表面纳米粒子层的粒度及厚度，SiO2 纳米层
的厚度为20nm，WC 粉体表面Co 的粒径为20nm，厚度为60nm ；
（3）将9.1g 包覆后的WC 粉体和0.9g 包覆后的cBN 粉体采用滚筒法（干法）混合5h，然
后过100 目筛3 次；
（4）将混合过筛好的粉体放入模具，烧结制备块体材料，烧结过程中所使用的烧结温度
为1200℃，压力为4GPa，时间2h ；
烧结后cBN 相的体积含量为30%，制成的样品直径为30mm，厚度为5mm。
[0020] 实施例2
根据本发明提供的碳化钨- 立方氮化硼复合材料的制备方法制备型碳化钨- 立方氮化
硼复合材料，步骤如下：
（1）将WC 粉体放入化学气相沉积反应室中，抽真空至10Pa，预热至500℃，以二茂钴为
原料，蒸发温度为130℃，反应室开始旋转，旋转速率为45r/min，氩气气体流量为30sccm，
通过二茂钴的热分解在WC 粉体表面包覆Co 纳米粒子层，反应时间为18min，包覆结束后，停
止旋转，并停止原料供应，待冷却至室温，取出；
（2）将cBN 粉体放入化学气相沉积反应室中，抽真空至10Pa，预热500℃，以正硅酸乙酯
为原料，加热至120℃，反应室开始旋转，旋转速率为50r/min，氩气气体流量为20sccm，通
过正硅酸乙酯的氧化热分解在cBN 粉体表面包覆SiO2 纳米层，反应时间为15min，包覆结束
后，停止旋转，并停止原料供应，待冷却至室温，取出；
采用FESEM 和TEM 相结合的方法测定粉体表面纳米粒子层的粒度及厚度，SiO2 纳米层
的厚度为20nm，WC 粉体表面Co 的粒径为20nm，厚度为60nm ；
（4）将8.9g 包覆后的WC 粉体和1.1g 包覆后的cBN 粉体采用滚筒法（干法）混合10h，
然后过200 目筛3 次；
（5）将混合过筛好的粉体放入模具，烧结制备块体材料，烧结过程中所使用的烧结温度
为1300℃，压力为6GPa，时间1.5h ；
烧结后cBN 相的体积含量为35%，制成的样品直径为30mm，厚度为5mm。
[0021] 实施例3
根据本发明提供的碳化钨- 立方氮化硼复合材料的制备方法制备型碳化钨- 立方氮化
硼复合材料，步骤如下：
（1）将WC 粉体放入化学气相沉积反应室中，抽真空至20Pa，预热至500℃，以二茂钴为
原料，蒸发温度为140℃，反应室开始旋转，旋转速率为60r/min，氩气气体流量为40sccm，
通过二茂钴的热分解在WC 粉体表面包覆Co 纳米粒子层，反应时间为50min，包覆结束后，停
止旋转，并停止原料供应，待冷却冷至室温，取出；
（2）将cBN 粉体放入化学气相沉积反应室中，抽真空至20Pa，预热500℃，以正硅酸乙
酯为原料，加热至90℃，反应室开始旋转，旋转速率为40r/min，氩气气体流量为30sccm，通
过正硅酸乙酯的氧化热分解在cBN 粉体表面包覆SiO2 纳米层，反应时间为50min，包覆结束
后，停止旋转，并停止原料供应，待冷却冷至室温，取出；
采用FESEM 和TEM 相结合的方法测定粉体表面纳米粒子层的粒度及厚度，SiO2 纳米层
的厚度为50nm，WC 粉体表面Co 的粒径为40nm，厚度为120nm。
[0022] （4）将8.7g 包覆后的WC 粉体和1.3g 包覆后的cBN 粉体采用滚筒法（干法）混合
10h，然后过200 目筛3 次；
（5）将混合过筛好的粉体放入模具，烧结制备块体材料，烧结过程中所使用的烧结温度
为1400℃，压力为5GPa，时间0.5h ；
烧结后cBN 相的体积含量为40%，制成的样品直径为30mm，厚度为5mm。
[0023] 实施例4
根据本发明提供的碳化钨- 立方氮化硼复合材料的制备方法制备型碳化钨- 立方氮化
硼复合材料，步骤如下：
（1）将WC 粉体放入化学气相沉积反应室中，抽真空至15Pa，预热至500℃，以二茂钴为
原料，蒸发温度为150℃，反应室开始旋转，旋转速率为35r/min，氩气气体流量为40sccm，
通过二茂钴的热分解在WC 粉体表面包覆Co 纳米粒子层，反应时间为40min，包覆结束后，停
止旋转，并停止原料供应，待冷却至室温，取出；
（2）将cBN 粉体放入化学气相沉积反应室中，抽真空至15Pa，预热500℃，以正硅酸乙酯
为原料，加热至130℃，反应室开始旋转，旋转速率为35r/min，氩气气体流量为25sccm，通
过正硅酸乙酯的氧化热分解在WC 粉体表面包覆Co 纳米粒子层，反应时间为40min，包覆结
束后，停止旋转，并停止原料供应，待冷却冷至室温，取出；
采用FESEM 和TEM 相结合的方法测定粉体表面纳米粒子层的粒度及厚度，SiO2 纳米层
的厚度为100nm，WC 粉体表面Co 的粒径为40nm，厚度为120nm。
[0024] （4）将8.5g 包覆后的WC 粉体和1.5g 包覆后的cBN 粉体采用滚筒法（干法）混合
6h，然后过100 目筛3 次；
（5）将混合过筛好的粉体放入模具，烧结制备块体材料，烧结过程中所使用的烧结温度
为1400℃，压力为5GPa，时间1.5h ；
烧结后cBN 相的体积含量为45%，制成的样品直径为30mm，厚度为5mm。
[0025] 实施例5
根据本发明提供的碳化钨- 立方氮化硼复合材料的制备方法制备型碳化钨- 立方氮化
硼复合材料，步骤如下：
（1）将WC 粉体放入化学气相沉积反应室中，抽真空至10Pa，预热至500℃，以二茂钴为
原料，蒸发温度为150℃，反应室开始旋转，旋转速率为60r/min，氩气气体流量为25sccm，
通过二茂钴的热分解在WC 粉体表面包覆Co 纳米粒子层，反应时间为20min，包覆结束后，停
止旋转，并停止原料供应，待冷却至室温，取出；
（2）将cBN 粉体放入化学气相沉积反应室中，抽真空至20Pa，预热500℃，以正硅酸乙酯
为原料，加热至130℃，反应室开始旋转，旋转速率为60r/min，氩气气体流量为25sccm，通
过正硅酸乙酯的氧化热分解在WC 粉体表面包覆Co 纳米粒子层，反应时间为25min，包覆结
束后，停止旋转，并停止原料供应，待冷却至室温，取出；
采用FESEM 和TEM 相结合的方法测定粉体表面纳米粒子层的粒度及厚度，SiO2 纳米层
的厚度为40nm，WC 粉体表面Co 的粒径为30nm，厚度为60nm。
[0026] （4）将8.2g 包覆后的WC 粉体和1.8g 包覆后的cBN 粉体采用滚筒法（干法）混合
10h，然后过100 目筛3 次；
（5）将混合过筛好的粉体放入模具，烧结制备块体材料，烧结过程中所使用的烧结温度
为1500℃，压力为8GPa，时间0.5h ；
烧结后，cBN 相的体积含量为50%，制成的样品直径为30mm，厚度为5mm。
[0027] 将上述具体实施方式制成的样品采用维氏硬度压痕法测试WC-cBN 复合材料的硬
度和断裂韧性，拉伸法测试材料的强度，结果如下：
表1 WC-cBN 复合材料的致密度、硬度、韧性和强度等。
[0028] 由表可知，本发明新型WC-cBN 复合材料具有较高的硬度、韧性和强度，随着包覆
后cBN 相的体积含量由30% 增加到50%，WC-cBN 复合材料的致密度呈起伏变化趋势，经历两
次起伏，在包覆后cBN 相的体积含量达到45% 时，致密度最高；复合材料的硬度指标随着包
覆后cBN 相的体积含量的增加呈现先上升再下降的趋势，在包覆后cBN 相的体积含量达到
45% 时，硬度最高；复合材料的韧性与硬度指标的变化趋势相近，在包覆后cBN 相的体积含
量达到40% 时，韧性最好；复合材料的强度指标的变化趋势与致密度呈现相同的变化趋势，
在包覆后cBN 相的体积含量达到45% 时，强度最高。
[0029] 对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。
对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的
一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明
将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一
致的最宽的范围。
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