Два продукта могут быть описаны как поликристаллический алмаз, но при этом показывать очень разные значения теплопроводности. Прежде чем сравнивать высокое число с характеристиками резца PDC, определите материал, стоящий за ним: это HPHT-спеченный PCD, используемый в буровом резце, или CVD поликристаллический алмаз, изготовленный в виде пленки или пластины? Для теплопроводности поликристаллического алмаза путь получения материала имеет такое же значение, как и число.

Спеченный PCD и CVD алмаз — это разные материалы

Рабочая поверхность бурового резца PDC, как правило, представляет собой HPHT-спеченный PCD. Поток тепла через него зависит от того, как соединены зерна алмаза, а также от остаточного кобальта и пористости. CVD поликристаллический алмаз, напротив, может быть произведен в виде тонкой пленки, более толстого слоя, теплораспределителя или другой пластиноподобной формы. Его структура и предполагаемое использование отличаются от спеченного PCD, содержащего кобальт, поэтому их заявленные значения не взаимозаменяемы.

Опубликованные значения не являются рейтингом производительности

Опубликованные примеры для спеченного PCD, используемого в буровых и режущих инструментах, варьируются примерно от 120 до 560 Вт/(м·К). Отдельные исследования или марки сообщают о значениях, таких как 120, 300, 459, 543 и 560 Вт/(м·К). Они получены из разных образцов и применений; их усреднение не даст фиксированной спецификации для коммерческого резца.

Высококачественный CVD поликристаллический алмаз может превышать 1000 Вт/(м·К). Некоторые высокочистые марки для терморегулирования сообщают о значениях около 1900–2200 Вт/(м·К), в то время как данные для CVD механического качества составляют около 600–1100 Вт/(м·К) при 300 К. Эти цифры описывают конкретные материалы CVD, а не значение по умолчанию для содержащего кобальт бурового PCD. Помещение обеих семейств материалов в одну таблицу не делает их напрямую сравнимыми. Высокий результат CVD не может заменить измерение рассматриваемой марки PCD.

Микроструктура, направление и температура изменяют результат

Теплопроводность описывает, насколько легко материал передает тепло при градиенте температуры, и обычно сообщается в Вт/(м·К). В спеченном PCD на этот путь влияют соединения зерен, остаточный кобальт и поры. Границы зерен, поры, неалмазный углерод и примеси рассеивают фононы. Непрерывная алмазная сеть обычно способствует теплопередаче, в то время как более крупные скопления кобальта проводят тепло менее эффективно, чем высококачественная алмазная сеть.

Направление измерения также имеет значение. CVD алмаз может различаться между сторонами зарождения и роста. В спеченном PCD на тепловой поток в плоскости и по толщине могут влиять слоистая структура, интерфейсы и остаточное напряжение. Температура также изменяет результат; выше комнатной температуры теплопроводность обычно уменьшается. Поэтому значение без указания температуры испытания и направления трудно интерпретировать.

Теплопроводность — это не температуропроводность

Метод вспышки обычно измеряет непосредственно температуропроводность, а не теплопроводность. Для однородного материала преобразование выглядит так:

Теплопроводность = температуропроводность × плотность × удельная теплоемкость

Два образца с одинаковой температуропроводностью могут давать разные значения теплопроводности, если их плотность или удельная теплоемкость различаются. Неопределенность в этих входных данных также переносится на расчетный результат. Показание температуры поверхности с тепловизора также не является измерением теплопроводности.

Образец для испытаний имеет значение. Метод вспышки, описанный в ISO 18755, предназначен для измерений температуропроводности однородных монолитных керамик. Полный PDC представляет собой слоистый композит, поэтому однослойная модель не может быть применена к нему без учета этой структуры. Испытания могут использовать изолированный образец PCD, подход с инверсией слоев или композитную модель, указывающую направление. В отчете должно быть четко указано, охватывает ли он однослойный PCD, PCD с обедненным кобальтом, CVD алмаз или полный PDC, а также указаны температура испытания, направление теплового потока и метод.

Более высокая теплопроводность не гарантирует более холодную зону резания

Более высокая теплопроводность может помочь отвести тепло от рабочей кромки, но сама по себе она не определяет температуру зоны резания. Тепловыделение, площадь контакта, скорость резания и условия охлаждения также влияют на то, сколько тепла производится и отводится. В полном резце PDC тепло проходит через стол PCD, интерфейс, карбидную подложку, паяное соединение, корпус долота и окружающую жидкость; интерфейсы могут добавлять тепловое сопротивление.

Теплопроводность и термическая стабильность — это разные свойства. Проводимость описывает теплопередачу; стабильность необходимо рассматривать с учетом температуры, атмосферы, продолжительности и нагрузки. Для бурового резца проводимость является одной полезной информацией о тепловом потоке, а не самостоятельным прогнозом рабочей температуры в скважине.