利用拉曼光谱成像技术探究多晶金刚石中的微观残余应力

《Diamond and Related Materials》：Probing the microscale residual stresses in polycrystalline diamond via Raman spectroscopy mapping

　　

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  拉曼成像显示PDC中存在局部的晶界应力不均匀性。
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  在整个颗粒尺寸范围内，通过拉曼技术得到的有效应力值均有所上升。
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  WC-Co基底可能会影响PDC-G0与SF-PCD3之间的有效应力差异。

引言

多晶金刚石压块（PDC）是通过在高压高温条件下将金刚石粉末与WC-Co基底烧结而成[1]、[2]。由于具有极高的硬度、耐磨性、抗冲击性以及良好的导热性，PDC已成为石油天然气钻探和高速加工等苛刻应用中的重要工具材料[2]、[3]、[4]。然而，高压高温烧结及冷却过程中产生的残余应力状态仍是限制PDC性能和使用寿命的关键因素[5]。在后续的冷却和降压过程中，金刚石骨架与碳化物基底之间的热膨胀系数和弹性模量存在巨大差异，这不可避免地会导致极为复杂的残余应力场的形成[6]、[7]、[8]、[9]、[10]、[11]。大量研究表明，这种内部残余应力状态是决定复合材料断裂韧性、抗冲击性能和疲劳寿命的重要因素[12]、[13]。因此，明确残余应力分布及其与微观结构特征之间的关系至关重要。

尽管通过宏观衍射、应变计测量以及数值模拟等方法，人们已经较为全面地了解了PDC中残余应力的宏观热不匹配机制以及其与颗粒尺寸的关系[4]、[6]、[8]、[14]，但在微观尺度上解析这些高度不均匀的应力场仍然面临挑战。以往的拉曼研究大多依赖于离散的单点测量[15]、[16]，所得数据较为零散，平均应力值与宏观测量结果存在显著差异。因此，本研究的目的并非探索新的现象学机制，而是提供一种更为严谨、高分辨率的方法论框架。通过将高密度拉曼成像技术应用于高压高温烧结的压块，对比由相同初始混合金刚石粉末制成的有基底PDC-G0样本与无基底PCD样本，并结合相关的局部几何相位分析技术，本研究为这些已有的物理原理在特定微观结构层面提供了补充与验证。

章节摘要

材料

本研究所使用的材料分为三类：金刚石粉粒、传统PDC样品以及无基底PCD样品。原始金刚石粉粒包括不同粒径范围的单一组分粉末（2–4、6–12、8–16、15–25和20–30微米），以及一种由2–4微米、6–12微米和20–30微米组分按8:22:70的重量比混合而成的多模式混合粉末。传统PDC样品和无基底PCD样品则是使用郑州研究院生产的YMTS800六砧座立方压机制备的

PDC中残余应力的微观空间不均匀性

对金刚石粉粒以及PDC-G0样品进行了采用325纳米激光激发的拉曼成像分析。相应的扫描区域及分析结果如图2所示。图2(a)为金刚石粉粒的光学显微图像，其中标出了用于拉曼成像的具体区域。图2(b)则展示了金刚石粉粒的拉曼峰位置分布图。如图所示，拉曼位移的空间分布较为均匀

结论

总体而言，高空间分辨率的拉曼成像为PDC表面附近的残余应力不均匀性提供了实验依据。通过几何相位分析得到的结果则为某一特定界面附近的局部相对晶格收缩现象提供了定性的纳米级解释。可得出以下结论：

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  PDC中的残余应力存在明显的空间不均匀性。在所分析的区域内，晶界处呈现出大致为压缩状态的有效应力

作者贡献说明

马向恩：论文撰写与编辑、数据整理、概念设计、可视化分析。徐迪：方法设计、概念设计。邓丽芬：论文撰写与编辑。崔希伟：论文撰写与编辑。郭梦远：数据整理。翟新如：概念设计。西村和人：概念设计。江楠：概念设计。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。

致谢

本研究得到了以下机构的资助：中国国家重点研发计划（项目编号：2024YFB3816600）、宁波市科学技术局（项目编号：2022-DST-001）、中国科学院的科学仪器研制项目（项目编号：PTYQ2024YZ0007）、宁波市科技重大专项（项目编号：2022Z191）、宁波市甬江人才引进计划（项目编号：2021A-037-C）、油气设备国家重点实验室（项目编号：U25B6007）以及其他相关科研项目。

Xiangen Ma|Di Xu|Lifen Deng|Xiwei Cui|Mengyuan Guo|Xinru Zhai|Kazuhito Nishimura|Nan Jiang