[發明專利]一種超薄鎢膜包覆金剛石的制備方法

無效

• 申請號: 201210006236.7
• 申請日: 2012-01-10
• 公開（公告）號: CN102560455A
• 公開（公告）日: 2012-07-11
• 發明（設計）人: 李志強;譚占秋;范根蓮;張荻
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: C23C20/08
• 分類號: C23C20/08
• 代理公司: 上海漢聲知識產權代理有限公司 31236
• 代理人: 郭國中

技術領域

本發明屬于功能材料領域，提供了一種具有微量碳化鎢過渡層的超薄鎢膜包覆金剛石的制備方法，該包覆鎢膜金剛石可用于切削材料及高導熱金屬基復合材料的制備，以改善金剛石與金屬基體的界面結合、增加把持力，降低界面熱阻。

背景技術

金剛石是目前已知的自然界中存在的硬度和熱導率最高的材料，廣泛應用于切削材料和高導熱金屬基復合材料的制備。但金剛石與金屬基體的潤濕性差、界面結合不好，或者易與金屬發生化學反應，因此不能充分發揮其良好的導熱性能。由于金屬鎢的熱導率高、熱膨脹系數適中，并能與金剛石在高溫下反應生成碳化物，因此金剛石表面鍍鎢不但能提高其與金屬基體的把持力，改善界面結合，還能極大提高金屬基復合材料的導熱性能，同時可降低材料本身由熱失配產生的界面應力，延長材料的使用壽命。但由于金剛石不導電，且在水溶液中無法單獨沉積金屬鎢，同時鎢的熔點很高(3400℃)，因此傳統的電鍍、化學鍍等方法無法在金剛石表面制備超薄鎢膜。目前，制備超薄鎢膜包覆金剛石主要采用高溫擴散反應、氣相沉積以及磁控濺射等方法，但這些方法不但對設備要求高，制備成本昂貴，而且很難保證金剛石表面鎢膜的完整性和均勻性。

對現有技術的文獻檢索發現，文獻“High?thermal?conductivity?composites?consisting?of?diamond?filler?with?tungsten?coating?and?copper(silver)matrix”(鎢膜金剛石/銅(銀)基高導熱復合材料)(Journal?of?Materials?Science?46(2011)1424-1438)將金剛石與鎢粉和少量三氧化鎢粉末(其熔點比鎢粉低2000℃)共混、再通過900-1100℃高溫擴散反應在金剛石表面制備了厚度為5-500納米的鎢膜；中國專利(CN101012547A)“金剛石、立方氮化硼顆粒表面鍍鎢、鉻、鉬的方法及設備”，先將預先加熱的金剛石傳送至專用鍍膜室，再通入羰基鎢絡合物蒸汽，振動或攪拌金剛石，使羰基鎢絡合物在高溫金剛石表面分解，再將其輸送至冷卻鈍化室冷卻鈍化，從而在金剛石顆粒表面形成鎢膜。上述方法的主要缺點在于：(1)高溫擴散反應溫度很高，鍍膜過程的可控性差；(2)高溫擴散反應法中，金剛石與鎢粉和三氧化鎢粉末難以均勻混合，無法保證鍍膜的完整性和均勻性；(3)羰基鎢絡合物價格昂貴，且需要專門設備，制備成本很高。

發明內容

本發明的目的是針對現有技術的不足，提供一種基于鎢溶膠表面包覆與氫熱還原處理制備超薄鎢膜包覆金剛石的方法。該方法操作簡單，制備成本低廉，且處理溫度低，所得鍍膜包覆完整、厚度均勻可控。

本發明是通過以下技術方案實現的：首先采用純鎢粉與雙氧水反應制備鎢溶膠，然后用硝酸對金剛石表面進行粗化處理，再將粗化處理的金剛石進行溶膠處理，獲得包覆鎢溶膠薄膜的金剛石，最后將該金剛石烘干后進行氫熱還原，獲得具有微量碳化鎢過渡層的超薄鎢膜包覆金剛石。

本發明包括以下步驟：

1)制備鎢溶膠：將鎢粉緩慢加入雙氧水中進行反應，整個過程持續攪拌并采用冷水浴控制反應溫度在5-30℃，直至鎢粉完全反應，反應結束后獲得乳白色溶液，除去未反應的雙氧水，再分別滴加乙酸和乙醇攪拌均勻，再攪拌加熱至40-100℃保溫1-24小時或者常溫密閉靜置進行老化處理，將容器底部的沉淀濾掉，得到淡黃色透明的鎢溶膠；

2)金剛石粗化處理：用去離子水對金剛石進行超聲清洗，再將其浸入濃硝酸浸泡，然后分別用去離子水、無水乙醇沖洗，獲得表面粗化的金剛石；

3)溶膠處理：將表面粗化的金剛石浸沒在鎢溶膠中攪拌，濾掉鎢溶膠，放入烘箱干燥后，獲得包覆鎢溶膠薄膜的金剛石；

4)氫熱還原：將上述處理的金剛石置入氫氣氣氛爐內，升溫至700-950℃后保溫0.5-5.0小時，對鎢溶膠膜進行氫熱還原，隨爐冷卻后獲得具有微量碳化鎢過渡層的超薄鎢膜包覆金剛石。

在本發明中，所述的超薄鎢膜厚度為10-500納米。

在本發明中，所述的金剛石可為顆粒或者片狀、膜狀、纖維狀。

在本發明中，所述的鎢粉粒度小于200目。

在本發明中，所述的雙氧水濃度為30％以上。

在本發明中，所述的濃硝酸濃度為60％以上。

在本發明中，所述的鎢粉與雙氧水的用量關系為：1克鎢粉/(2-100)毫升雙氧水，優選的比例為1克鎢粉/5毫升雙氧水。