[發明專利]一種提高CVD單晶金剛石硬度及韌性的方法

有效

• 申請號: 201810556015.4
• 申請日: 2018-06-01
• 公開（公告）號: CN108545738B
• 公開（公告）日: 2020-07-10
• 發明（設計）人: 李成明;趙云;劉金龍;鄭宇亭;陳良賢;魏俊俊
• 申請（專利權）人: 北京科技大學
• 主分類號: C01B32/28
• 分類號: C01B32/28
• 代理公司: 北京市廣友專利事務所有限責任公司 11237
• 代理人: 張仲波

本發明公開了一種提高CVD單晶金剛石硬度及韌性的方法，屬于金剛石材料領域。所述方法包括采用微波等離子體化學氣相沉積(MPCVD)或者熱絲化學氣相沉積(HFCVD)或者直流電弧等離子噴射(DC Arc Plasma Jet CVD)來生長單晶金剛石時，間斷性地通入氮氣或者氮氣和氧氣的混合氣體或者含硼氣體。通過不同摻雜層金剛石的交替生長，實現納米多層化界面結構的增強和增韌效應。通過上述方法生長的CVD單晶金剛石與非摻雜生長的CVD單晶金剛石相比，維氏硬度提升了5％?25％，斷裂韌性提升了4％?56％。應用本發明所生長多層化的CVD單晶金剛石的硬度和韌性都得到了顯著提高。

技術領域

本發明涉及微波等離子體化學氣相沉積(MPCVD)無機材料力學性能技術領域，尤其涉及一種提高CVD單晶金剛石硬度及韌性的方法。

技術背景

金剛石是最硬的天然材料，具有顯著的硬度和耐久性，應用于機械、生物醫藥、電子和光子應用中。金剛石具有超高的硬度和穩定性，但是如果使金剛石變形將會導致脆性斷裂。由于金剛石較差的可變形性和相對高的脆性，導致金剛石的機械性能差，金剛石的這些局限性激發人們去研究金剛石超大彈性變形的機理。

通過微波等離子體化學氣相沉積方法合成單晶金剛石的出現，為單晶金剛石的應用打開了一個廣闊的局面。生長的CVD層具有高的斷裂韌性，在高溫高壓熱處理后具有極高的斷裂韌性和異常高的強度。熱處理的出現引入了一種硬化CVD單晶金剛石的新穎的方法。

在CVD單晶金剛石中摻入硼，能夠在不影響其高硬度(～78GPa)的前提下能夠顯著增強其斷裂韌性。硼較容易摻雜進金剛石，但當有氮時，硼摻雜受到抑制。光譜測試結果證實硼和氮共存于金剛石結構中，這解釋了金剛石斷裂韌性增強的原由(Q.Liang,C.S.Yan,Y.Meng,J.Lai,S.Krasnicki,H.K.Mao,R.J.Hemley,Enhancing the mechanicalproperties of single-crystal CVD diamond,Journal of Physics:Condensed Matter,21(2009)364215.)。對于單晶金剛石納米針，最大的拉伸應變(9％)，達到了理論彈性應變，并且最大的拉應力達到～89GPa到98GPa(A.Banerjee,D.Bernoulli,H.Zhang,M.F.Yuen,J.Liu,J.Dong,...Y.Lu,Ultralarge elastic deformation of nanoscale diamond,Science,360(2018)300.)。該方法把金剛石針高強度和大的彈性應變歸因于低的缺陷密度和相對光滑的表面。該發現提供了一種優化金剛石納米結構的方法，該方法從樣品加工到應用都具有一定的難度。控制金剛石的顯微結構能進一步的提高其強度和硬度。高溫低壓熱處理能夠在不損失金剛石斷裂韌性的前提下，將金剛石本征硬度提高兩倍。摻雜和金剛石的后處理，可作為增強金剛石機械性能方面的新的技術應用。

金剛石單晶作為微加工刀具韌性的提高成為進一步提高刀具使用性能的關鍵，在提高硬度的同時，提高其韌性極為重要，并且能夠顯著提升CVD單晶金剛石的力學性能，因此進行了本發明創造。

發明內容

本發明的目的是提供一種提高CVD單晶金剛石硬度及韌性的方法，所述方法包括采用微波等離子體化學氣相沉積(MPCVD)或者熱絲化學氣相沉積(HFCVD)或者直流電弧等離子噴射(DC Arc Plasma Jet CVD)來生長單晶金剛石時，間斷性地通入氮氣或者氮氣和氧氣的混合氣體或者含硼氣體。通過上述方法生長的CVD單晶金剛石與非摻雜生長的CVD單晶金剛石相比，維氏硬度提升了5％-25％，斷裂韌性提升了4％-56％。應用本發明所生長的CVD單晶金剛石的硬度和韌性都得到了顯著提高。

本發明采用的技術方案是：

一種提高CVD單晶金剛石硬度及韌性的方法，其特征在于：