《硬岩鑽探用金剛石複合片的仿生結構設計及強韌化機理》是依託吉林大學，由劉寶昌擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：硬岩鑽探用金剛石複合片的仿生結構設計及強韌化機理
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：劉寶昌
- 依託單位：吉林大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
針對目前國內外聚晶金剛石複合片鑽頭在硬岩鑽探中存在鑽速慢、壽命短的問題，在金剛石複合片結構設計中，引入仿生複合材料設計的思想，將複合片的金剛石層設計為仿生纖維獨石結構，來提高複合片的強度、抗破壞能力及使用可靠性；採用SiC或MgCO3作為聚晶金剛石的粘結劑，以提高複合片的熱穩定性；利用有限元數值分析方法，研究仿生纖維獨石結構金剛石層中纖維胞體及界面層的材料組成、配比及幾何尺寸對複合片力學性能的影響規律；採用試驗最佳化設計方法，優選仿生結構金剛石複合片的高溫高壓燒結工藝參數；對仿生結構金剛石複合片進行力學性能測試及微觀結構、形貌表征，研究其強韌化機理。項目的研究成果對於解決目前聚晶金剛石複合片性能相對較低的問題具有重要意義，可以為硬岩鑽探用高性能金剛石複合片的設計、製備提供科學依據。
結題摘要
項目主要針對國內外聚晶金剛石複合片鑽頭在硬岩鑽探中存在鑽速慢、壽命短的問題，在金剛石複合片結構設計中，引入仿生複合材料設計的思想，將複合片的金剛石層設計為仿生纖維獨石結構，來提高複合片的強度、抗破壞能力及使用可靠性。項目主要研究內容包括：1、聚晶金剛石複合片金剛石層的仿生纖維獨石結構設計，研究仿生纖維獨石結構金剛石層中纖維胞體及界面層的材料組成、配比及幾何尺寸對複合片力學性能的影響規律；2、仿生結構複合片金剛石層材料的製備工藝及複合片的高溫高壓燒結工藝研究和仿生纖維獨石結構聚晶金剛石複合片的強韌化機理研究；3、仿生結構金剛石複合片的物理力學性能測試及破岩性能研究完成不同製備工藝下金剛石複合片的製備，並對其進行物理力學性質的測試和破岩能力研究；4、研究仿生纖維獨石結構聚晶金剛石複合片的強韌化機理研究；項目研究結果表明，纖維獨石結構金剛石複合片纖維胞體由體積比94%金剛石與體積比6%鈷組成，界面層由體積比94%碳化鎢和體積比6%鈷組成，獨石結構邊界角為60°~80°，界面層面積占比為0.3~0.5時，材料中殘餘應力最小，裂紋偏轉能力最強，對應材料耐磨性和耐熱性最好，同時項目還確定了相應的最優排膠工藝，以及最優的聚晶金剛石複合片外加劑種類（Co-Si-B和Ni-Ti-B 添加劑），耐氧化溫度最高提高了160℃，這證明了仿生結構在金剛石複合片中套用的合理性和有效性,並擴寬了仿生結構的套用領域。此外，項目還開展納米材料增強金剛石材料研究，金剛石處理工藝研究，高壓相變研究，以尋求進一步提高仿生結構金剛石複合片耐熱性和耐磨性的方法和理論依據，項目研究成果對於擴寬金剛石複合片的套用領域具有重要的意義。
