[發明專利]將金剛石層施涂在石墨基體上的方法

無效

• 申請號: 200810107458.1
• 申請日: 2008-12-22
• 公開（公告）號: CN101580931A
• 公開（公告）日: 2009-11-18
• 發明（設計）人: M·弗里達;T·馬特;S·馬爾卡希
• 申請（專利權）人: 康迪亞斯有限責任公司
• 主分類號: C23C16/27
• 分類號: C23C16/27;C23C16/44;C04B41/50
• 代理公司: 永新專利商標代理有限公司
• 代理人: 過曉東

技術領域

本發明涉及一種根據化學氣相沉積法將金剛石層施涂在石墨基體上的方法。

背景技術

已知在真空涂布設備中采用CVD(化學氣相沉積)法從含碳氣相沉積金剛石晶體，從而可在適當的基材上制備金剛石涂層。在此，該工藝氣體是氫氣(H₂)和甲烷(CH₄)。沉積金剛石相(sp³-改性碳)的前提條件為：抑制熱力學穩定性更強的碳結晶相(sp²-改性碳-石墨)。為此使用高濃度的原子氫，因為氫原子能打開雙鍵，并且選擇性地腐蝕去除非期望的碳相，從而使金剛石的生長穩定化。采用加熱方式或者通過等離子體來活化工藝氣體，從而產生所需的生長條件。已知可使用含有1％甲烷的氫氣作為工藝氣體，生長溫度為700至1000℃，氣體壓力在40至400mbar之間。

電化學應用的需要在于，在作為石墨基體的石墨電極體上施涂含有金剛石層的金剛石電極。根據CVD法在石墨基體上制備金剛石涂層的問題在于：在CVD涂布過程中始終也會形成石墨，其需要通過原子氫加以腐蝕并去除。當使用石墨基體時，基材本身成為實際上取之不盡的可以腐蝕的碳源，因而常規的CVD法無法用于石墨基體的金剛石涂布。

該問題的一種解決方案在于：給石墨基體鍍上一層諸如金的惰性金屬層作為中間層，從而將石墨基體的腐蝕與非期望地形成的sp²-改性碳在CVD過程中期望地腐蝕去除相分離。然而，該解決方案不適用于許多電化學應用，因為貴金屬在某些電解質中是不穩定的。

發明內容

本發明要解決的問題在于：對于某些電化學應用而言，沒有提供具有石墨基體的金剛石電極，因為無法以可靠的方式將金剛石涂層直接施涂在石墨基體上。

因此，本發明的目的在于：在石墨基體上實現可靠的金剛石涂層。

為了實現該目的，在CVD法之前對石墨基體實施下列預處理步驟：

-在高于500℃，優選高于800℃的溫度下于真空中在蝕刻氣體氣氛中精細凈化表面，

-機械去除松散的顆粒，

-用極細的金剛石顆粒給基體表面施加晶種，及

-在T＞500℃，優選T＞700℃的溫度下于真空中進行至少一次脫氣處理以去除吸附的烴類和吸附的空氣。

根據本發明的方法首次允許在CVD法中將金剛石層直接施涂在石墨基體上。根據本發明的方法基于以下認識：必須以適當的方式對優選為電極體形式的石墨基體進行預處理，其中該預處理應當保證在CVD法中于涂布過程中迅速形成封閉的金剛石層，該金剛石層用作基體的保護層，并且保護基體不被氫氣腐蝕。若形成保護層，則如同常見的金屬電極體一樣實施涂布過程。

若需要，則可在根據本發明的方法之前設置粗略凈化步驟，通過該步驟去除可能存在的脂肪和/或油類殘留物，從而使金剛石層可以在石墨基體上生長。本發明方法的主要步驟在于給石墨基體表面施加晶種。根據本發明，通過精細凈化基體表面以及甚至利用蝕刻過程而為本身已知的施加晶種作準備。為此，在大于500℃，優選大于700℃，特別優選大于800℃的溫度下于真空中在蝕刻氣體氣氛中，優選在氫氣氛中處理石墨基體的表面。在該處理過程中，從石墨顯露出石墨顆粒。因此，可由石墨復合物至松散的顆粒形成例如以CH₃-、CH₂-、CO-基形式的邊緣基團，隨后機械去除該顆粒。以此方式腐蝕去除石墨基體表面之后，用極細的金剛石顆粒給基體表面施加晶種。以本身已知的方式施加晶種，使得生長的金剛石層聚集在已存在的金剛石材料上，從而可以比不施加晶種的情況更迅速更均勻地生長。可以利用含有醇液體或水液體的懸浮液施加晶種。該液體滲入石墨的多孔表面之中，并且在此吸附，從而使金剛石顆粒均勻地分布在石墨基體的表面上。

石墨基體通常不是由實心材料組成，而是由燒結和/或壓實的材料組成。因此，石墨基體具有很大的孔隙率。取決于生產參數和生產方法，孔隙率根據石墨類型而變化。對于本發明方法重要的是：去除由于預處理步驟而積聚在表面上或者從表面進入孔表面的空氣、烴類和水。因此，根據本發明對石墨基體實施至少一次脫氣處理，以去除吸附的烴類和吸附的空氣。為此，采用大于500℃，優選大于700℃，更優選大于800℃的溫度。若例如在施加晶種時用水處理石墨基體，則也實施脫氣處理以去除所有的水。

根據本發明的預處理首次允許在石墨基體上制備可負載的金剛石涂層，尤其是對于使用石墨作為電極體的金剛石電極而言。由此開辟金剛石電極的嶄新的應用領域。