[發明專利]一種基于金剛石晶體的復合材料及其制備方法

在審

• 申請號: 201410638045.1
• 申請日: 2014-11-12
• 公開（公告）號: CN104451596A
• 公開（公告）日: 2015-03-25
• 發明（設計）人: 唐永炳;朱雨;牛卉卉;劉輝
• 申請（專利權）人: 中國科學院深圳先進技術研究院
• 主分類號: C23C16/27
• 分類號: C23C16/27;B28D5/04
• 代理公司: 深圳中一專利商標事務所 44237
• 代理人: 張全文

技術領域

本發明屬于復合材料技術領域，具體涉及一種基于金剛石晶體的復合材料及其制備方法。

背景技術

碳納米管以及碳纖維材料具有一系列與眾不同的屬性，如機械強度高，韌性優良和導電性強等。另一方面，眾所周知金剛石有特殊的物理性質，如高硬度，被廣泛應用于耐磨硬質涂層、切割及拋光工具。盡管金剛石薄膜硬度很高，但是韌性低，有機械脆性。碳納米管和/或碳纖維和金剛石的復合物通過相互的補充，實現非常適合用于制造同時具有優良的機械性能，導電性和熱性能的材料，因此具有很高的使用價值。復合物材料中金剛石包覆碳納米管和/或碳纖維紗線從綜合性能，以及生產效率和成本上均具有很高的使用價值。

而現有制備金剛石涂層的方法中，通常是利用沉積化學氣相沉積(CVD)，在強的富氫等離子體、溫度高于700℃條件下進行，氫作為催化劑促進碳的SP3雜化鍵的形成，破壞SP2雜化鍵的形成。但是這種環境也會對同樣是SP2鍵的碳納米管/碳纖維造成破壞，從而降低碳納米管和/或碳纖維的質量。

為了彌補傳統的化學氣相沉積法制備存在上述不足的情形，M.Terranova(Chemistry?of?Materials?17.2005.3214)等人利用熱絲化學氣相沉積(HFCVD)裝置，以鐵為催化劑涂覆在硅襯底上，在氬氛圍中用碳納米粒子流一步合成出碳納米管和金剛石納米晶，實現金剛石納米晶顆粒在單壁碳納米管束上的生長。N.Shankar(Diamond?Related?Matter，17.2008,PP.79一83，)等人先在硅基底上分散多壁碳納米管，然后用熱絲化學氣相沉積(HFCVD)裝置使金剛石沉積在這個結構上，成功生長出了碳納米管/金剛石復合材料。他們發現在金剛石生長的典型沉積條件下，即1％甲烷和99％氫氣，碳納米管被破壞。然而增加甲烷流量至2％-5％，即降低氫氣部分刻蝕作用，他們發現碳納米管沒有被刻蝕，金剛石能夠在碳納米管上形核和生長。然而，降低了刻蝕活性會對金剛石粒子的表面形貌產生負面作用，使它的微晶結構變成“菜花”形貌，即許多納米尺寸(100—400nm)的金剛石顆粒在碳納米管上隨機形核，生長。

采用上述方法制備得到的金剛石包覆碳納米管和/或碳纖維材料，其碳納米管的質量、金剛石的質量或者二者質量仍會受損。同時在Terranova等人和Shankar等人所做的兩項工作中，所形成的金剛石是極小的納米晶組成的單一晶體，沒有微晶金剛石的形成，并且進一步復合過程只能在一個狹窄的參數窗口進行，在合成不同類型或結構的復合材料方面的靈活性非常小，在應用中仍然存在缺陷。

發明內容

本發明實施例的目的在于克服現有技術的上述不足，提供一種可以實現高質量的金剛石晶體牢固地附著在碳納米管或者碳纖維表面上，同時又不會損傷質量的碳納米管線和金剛石晶體復合材料及其制備方法。

為了實現上述發明目的，本發明實施例的技術方案如下：

一種基于金剛石晶體的復合材料的制備方法，包括如下步驟：

在碳納米管和/或碳纖維的表面上形成阻隔層；

在所述阻隔層上形成用于引導金剛石晶體沉積的形核位點；

在所述阻隔層上沉積金剛石涂層。

采用本發明的上述制備方法，通過阻隔層可以在不破壞碳納米線或者碳纖維的情況下在其上面涂覆高質量金剛石晶體，并且還可以使金剛石晶體與碳納米線或者碳纖維之間有非常高的結合力；同時通過形核位點引導金剛石涂層的沉積，防止發生二次形核的現象導致降低金剛石的涂層的品質的問題。

本發明進一步還保護按照上述方法制備得到的基于金剛石晶體的復合材料，以及由該復合材料制備的微米級線鋸。

本發明制備得到的上述基于金剛石晶體的復合材料，可以實現高質量的金剛石晶體牢固地附著在碳納米管或者碳纖維表面上，或者二者形成的結構上而又不會損傷碳納米管和碳纖維，品質相比現有的復合材料大大提升。同時制備得到的微米級線鋸，與現有方法制造的金剛石線鋸相比，本發明中制備得到的線鋸直徑在20微米左右，而現有做法中線鋸的直徑都在1毫米以上；因此本發明不僅降低了線鋸的制造成本，同時在應用方面，例如在硅片的切割方面，可以實現無鋸末切割，平均可以節省約三分之一的硅片材料成本，可以極大地降低硅基器件材料(如太陽能光伏電池板)的成本。

附圖說明

下面將結合附圖及實施例對本發明作進一步說明，附圖中：

圖1為本發明實施例基于金剛石晶體的復合材料制備方法示意圖；

圖2為本發明實施例碳納米管陣列上制備金剛石涂層的形態變化示意圖。