聚晶金刚石复合材料是将聚晶金刚石薄层附着黏结在硬质合金衬底上的复合材料。聚晶金刚石复合片兼有聚晶金刚石极高的耐磨性以及硬质合金的高抗冲击性。金刚石层刃口锋利而且具有自锐性，能够始终保持切削刃的锐利，因此非常适用于石油和地质钻探中的软地层直至中硬地层的勘探，效果非常好。聚晶金刚石复合片中的金刚石含量高达99%，故金刚石层硬度极高、耐磨性极好，其努氏硬度为6.5×104~7.0×104MPa，甚至更高。

硬质合金基体克服了聚晶金刚石硬而脆的不足，大大提高了产品整体的抗冲击韧性。硬质合金的易焊接性则解决了聚晶金刚石很难通过焊接方法与其他材料结合的难题，可以使聚晶金刚石复合片竖直镶焊在钻头上。聚晶金刚石复合片因自身性能优越，国内外竞相研制和生产，从而品种规格日益繁多，如图1所示。

主要特性：

1 ) 具有极高的硬度。聚晶金刚石的硬度为HV7500~9000，仅次于天然金刚石。而且其硬度和耐磨性各向同性，不需选向。其强度由于有韧性较高的硬质合金支撑，复合抗弯强度可达1500MPa。

2 ) 具有很高的耐磨性。聚晶金刚石的耐磨性一般为硬质合金的60~80倍。在切削硬度较高(>HV1500)的非金属材料时，耐用度极高。

3) 具有较低的摩擦因数。聚晶金刚石与有色金属的摩擦因 数为0.1~0.3，而硬质合金与有色金属的摩擦因数是0.3~0.6。由聚晶金刚石（简称PCD）材料制作的PCD刀具，与硬质合金刀具相比可降低切削力和切削温度约1/2~1/3。

4) 具有很高的导热性。聚晶金刚石的导热系数是硬质合金的1.5~7倍，可以大大降低切削区的温度，提高刀具耐用度。

5) 具有较小的膨胀系数。聚晶金刚石的线膨胀系数很小，约为一般钢的1/10。另外，因为刀刃锋利，已加工表面加工硬化程度仅为硬质合金刀具的1/3左右，所以加工精度好。

6) 可以根据需要制作成各种尺寸和形状。

7) 表现出比单晶金刚石明显优越的韧性和抗冲击性能，在一定程度上弥补了单晶金刚石脆性大、易解理破裂的缺点。

应用领域：

1) 聚晶金刚石钻头。

适用于石油钻探、地质勘探的小直径聚晶金刚石钻头成本相比于天然金刚石非常低廉，且耐磨性高。

2) 聚晶金刚石喷嘴。

目前五金和机械行业进行喷砂喷丸加工时普遍使用的是氧化铝陶瓷喷嘴、硬质合金喷嘴和碳化硼喷嘴。由聚晶金刚石材料制成的喷嘴比普通材料喷嘴的寿命提高了10~200倍，获得了前所未有的长使用寿命。采用聚晶金刚石喷嘴能够大幅降低材料消耗，明显提高工作效率，还可以大大减少市场对陶瓷磨料和碳化物的需求，具有明显的节能和环保的社会效益。聚晶金刚石喷嘴具有性能可靠、寿命极长的特点，适用于很多耐磨性要求高的场合。同时因为具有耐酸、耐碱、耐腐蚀的特点，聚晶金刚石喷嘴还适用于水切割、酸碱液喷口、泥浆喷射口等场合，市场和应用前景极为可观。

3) 金刚石复合片止推轴承。

螺杆钻具是石油钻井中以泥浆为动力的一种井下动力钻具。新型螺杆钻具的传动轴总成采用了硬质合金径向轴承和金刚石复合片的平面止推轴承，使其寿命更长承载能力更高。

4) 石材加工。

将钻探用金刚石复合片切割成四方形或长条形应用于软石材的开采和切割工具，可以得到更高的加工效率。

5) 其他耐磨器件的应用。

聚晶金刚石用于电子元器件贴片封装贴片机的吸嘴、要求高耐磨的V形槽表面、要求高耐磨或低粗糙度的模具或夹具部件等都取得了好的使用效果。

未来发展方向：

1) 聚晶金刚石和金刚石复合片的尺寸大型化。

随着生产技术的进步和应用领域的不断拓展，可能对聚晶金刚石和金刚石复合片工具或刀具的尺寸大型化要求会越来越强烈。目前，某些国外公司可批量生产直径达50.8~ 80.0 mm的规格产品。甚至有国外厂家声称已制造出可以商品化的直径120 mm的金刚石复合片。

近年来，国内刀具用金刚石复合片生产技术研究也取得了长足的进步，目前市场上已可提供最大直径尺寸达40~50 mm规格的质量优良的产品。聚晶金刚石和金刚石复合片的尺寸大型化能够扩大其应用范围，加工出更多或形状更复杂的小单元。更重要的是对于刀具和拉丝模这类用途，大直径产品可以大大降低聚晶金刚石和金刚石复合片小单元的成本，将更受欢迎。

2) 聚晶金刚石和金刚石复合片的晶粒细化。

金刚石晶粒细化可以显著提高材料的抗弯强度，同时使金刚石复合片工具获得更低的加工表面粗糙度。目前的切削刀具用金刚石复合片和拉拔工具用聚晶金刚石的金刚石晶粒度都在微米级水平。对亚微米级甚至更细的聚晶金刚石的研究已有二、三十年历史，大部分研究采用的是爆炸法。虽有一定的研究成果，但整个研究水平未见明显提高。另外，因为其制作的高难度和性能的局限，至今还未出现广泛的应用。

晶粒的细化会给聚晶金刚石带来更好、更特别的性能，因此它仍然是未来聚晶金刚石发展的方向。近十几年来纳米技术的蓬勃发展，也促使专家学者关注并投入到纳米晶粒度多晶金刚石的研究中。工业应用也一直期待着由稳定的制造工艺得到稳定的纳米聚晶金刚石产品。

3) 金刚石复合片层间内界面的新型结构设计。

非平面结合是指硬质合金基体与聚晶金刚石层间采用波浪形、锯齿形等曲面结合，后来又进一步发展为台阶形、同心圆、螺旋、间断的圆弧或其他更复杂的立体几何形式结合。这些措施在一定程度上提高了复合片的机械结合强度，降低了硬质合金基体与聚晶金刚石层间的残余应力，提高了钻齿的整体抗冲击强度，取得了很好的使用效果。

通过有限元计算可以得到不同形状层间内界面下金刚石复合片的残余应力分布，从而判断所设计的层间内界面结构是否合理。从20世纪90年代起，金刚石复合片石油钻齿出现了非平面结合的革命性改变。因此，如何设计出更合理更有效的界面结构，是改进和提高金刚石复合片性能质量的重要技术，也是未来金刚石复合片的研究发展方向之一。

4) 金刚石复合片表面状态的改性研究。

20世纪90年代中后期，开始大量采用镜面抛光的钻探用金刚石复合片钻齿。经过抛光的金刚石表面被认为更有利于金刚石复合片钻齿的排屑，降低了金刚石复合片钻头发生泥包的概率，能够明显提高钻进速度，延长钻头使用寿命。将金刚石复合片中的钴去除可以提高耐热性的研究早在20世纪80年代已有报道。美国NOV公司重新利用该成果近几年推出脱钴金刚石复合片，并得到专利保护。

脱钴金刚石复合片是将金刚石复合片表面深约0.3 mm的钴相从金刚石相间去除，消除了金刚石复合片工作在较高温度下钴的危害作用，大大提高了金刚石复合片钻齿的耐磨性，据称可以比未脱钴的金刚石复合片寿命提高三倍。

5) 异型端面金刚石复合片技术研究。

钻探用外齿型金刚石复合片钻齿是将金刚石复合片钻齿的金刚石端面由平面改为齿面，齿面可以是波浪形、锯齿形或梯形。焊接金刚石复合片钻头时应使金刚石端面上异型沟槽指向岩石面，在岩石钻探工作中带沟槽钻齿的工作部位（刃口）逐渐形成了一排“牙齿”，这排齿的切岩能力和效果要远胜过平面无齿的金刚石复合片钻齿，而且这种效果基本上可以一直保持到整个钻齿失效。用这种新型钻齿制作成钻头，可以明显改进金刚石复合片钻齿的破岩效率，特别是对付软弱型岩层，解决了金刚石复合片易打滑的技术难题。

6) 少添加或无添加黏结相聚晶金刚石技术的研究。

在少添加乃至无添加黏结相的条件下，将金刚石烧结在一起，是超高压合成聚晶金刚石（PCD）研究领域专家学者长期以来要实现的目标。自从透明的聚晶立方氮化硼研制成功以来，一直期待着纯的、一定厚度的透明PCD能够诞生。因为纯PCD不但会在工具材料的性能上产生飞跃，也会在功能材料上迎来广阔的应用空间。