PCD刀具是通过把金刚石复合片焊接到硬质合金或者钢的刀体上制成的刀具。金刚石是立方晶体结构,每个碳原子都是以SP3杂化轨道与另外4个碳原子形成共价键,构成正四面体,因为所有的价电子都被限制在共价键区域,没有自由电子,所以金刚石不导电。高热传导性与高导电性相关联,不同于金属依靠外围电子进行传热,金刚石的热导性能基本上来自碳原子振动(即声子)的传播。
图片来自郑州华菱目前,比较热门的刀具材料主要有CBN刀具、陶瓷刀具、PCD刀具等,而面对传统硬质合金刀具的各种限制,PCD刀具(金刚石刀具)作为有低热膨胀率材料的代表,是刀具界中热导率最高的刀具,人们常说金刚石的导热率是铜的五倍。
当物质的成分越单纯、结构越简单、杂质较少时,声子运动就越快,传热速率也就越快。这是由于第二组分和杂质的引入会引起晶格扭曲、畸变和位错,破坏晶体的完整性,增大声子或电子的散射几率。金刚石的组成只有单一元素碳,结构也十分简单,因此拥有最高的传热速率。
其实不同类型的金刚石其导热率也不同,就是同一类金刚石的导热率也不一定相同。金刚石的导热率与其内部结构的完整性和所含杂质的种类和含量有关,在不同温度下同一类金刚石的导热率也不一样,金刚石的导热率不是固定的,有一个变化的范围。
图片来自郑州华菱如下表:
金刚石的导热率(W/mk)
除此之外,金刚石还具有高电阻率和高击穿场强、低介电常数、低热膨胀等特点,其在高功率光电器件散热问题上具有明显优势,这也表明了金刚石在散热领域具有巨大的应用潜力。