[發明專利]高磨耗比、高斷裂強度微米金剛石厚膜及其制備方法

有效

• 申請號: 201810580017.7
• 申請日: 2018-06-07
• 公開（公告）號: CN108611638B
• 公開（公告）日: 2020-04-17
• 發明（設計）人: 于盛旺;鄭可;李亮亮;高潔;黑鴻君;公彥鵬;曹巖;申艷艷;賀志勇
• 申請（專利權）人: 太原理工大學
• 主分類號: C23C28/00
• 分類號: C23C28/00;C23C16/27;C23C14/48;C23C14/18
• 代理公司: 太原倍智知識產權代理事務所(普通合伙) 14111
• 代理人: 駱洋

本發明為一種高磨耗比、高斷裂強度微米金剛石厚膜及其制備方法，屬于超硬材料制備技術領域。本發明厚膜由緊密連接的多層微米金剛石膜層和多層金屬膜層復合而成的，微米金剛石膜層和金屬膜層依次間隔設置，且最頂層和最底層都為微米金剛石膜層；微米金剛石膜中（110）晶粒取向占優，晶粒尺寸為10?200μm，膜厚度為50?200μm；金屬膜層的厚度為1?10μm。制備時，采用化學氣相沉積方法沉積金剛石膜層，采用薄膜合成方法制備金屬膜層。本發明通過添加金屬膜層阻斷微米金剛石晶粒的長大，使后續的金剛石在金屬層表面重新形核并生長。最終獲得的金剛石厚膜主要由細小晶粒（110）取向占優的微米金剛石構成，具有高的磨耗比和高的斷裂強度。

技術領域

本發明屬于超硬材料制備技術領域，具體是一種高磨耗比、高斷裂強度微米金剛石厚膜及其制備方法。

背景技術

化學氣相沉積（CVD）金剛石膜具有優異的綜合物理化學性質，在機械、航空航天、光學等領域具有良好的應用前景。當CVD金剛石膜作為切削或修整工具使用時，耐磨性能和斷裂強度是兩個主要的性能指標。

與其它取向的CVD金剛石相比，（110）取向占優的CVD金剛石具有耐磨性高，生長溫度適中的特點。但是，由于CVD金剛石膜的制備一般通過等離子體輔助實現，隨著膜厚度的增加，基片在等離子體中的位置會發生改變，膜的沉積環境即所處溫度場、流場、電磁場、氫原子及碳基團的濃度等，均會發生不同程度的改變。因此，擇優取向會發生改變。與此同時，隨著沉積時間的延長，晶粒的長大，膜中晶界的尺度會增加，數量減少，晶界間的孔洞等其它大尺度缺陷出現的幾率也會同時增加。這種組織結構的變化，會造成CVD金剛石膜斷裂強度的降低。

發明內容

本發明的目的是為了解決常規方法制備的金剛石厚膜表面粗糙、斷裂強度差的問題，而提供一種高磨耗比、高斷裂強度微米金剛石厚膜，該厚膜是由多層微米金剛石膜層/金屬膜層交替排列而成的。同時，本發明的另一個目的是提供上述厚膜的制備方法。

本發明是通過如下技術方案實現的：

一種高磨耗比、高斷裂強度微米金剛石厚膜，是由緊密連接的多層微米金剛石膜層和多層金屬膜層復合而成的，其中，微米金剛石膜層和金屬膜層依次間隔設置，且最頂層和最底層都為微米金剛石膜層；所述的微米金剛石膜層中（110）晶粒取向占優，且晶粒尺寸為10-200μm，所述的微米金剛石膜層的厚度為50-200μm，所述的金屬膜層的厚度為1-10μm。

作為優選的技術方案，所述的金屬膜層采用能夠與金剛石形成良好結合強度的強碳化物形成元素。

作為優選的技術方案，所述的強碳化物形成元素為Mo、W、Cr、Ti、Zr、Ta、V。

上述高磨耗比、高斷裂強度微米金剛石厚膜的制備方法，包括如下步驟：

首先，利用化學氣相沉積方法在硅基片表面沉積（110）取向占優的微米金剛石膜層；具體為：使用單面拋光單晶硅片作為基片，用粒度為0.2-0.5μm的金剛石細粉手工研磨硅片表面，然后用酒精進行超聲清洗，并用冷風吹干，用化學氣相沉積方法在其表面沉積第一層微米金剛石膜層，控制金剛石晶粒為（110）占優取向，控制金剛石晶粒尺寸為10-200μm，控制微米金剛石膜層的厚度為50-200μm；

然后，利用薄膜合成方法在微米金剛石膜層上制備金屬膜層；具體為：用酒精超聲清洗沉積了微米金剛石膜層的基片表面，并用冷風吹干，利用薄膜合成方法在微米金剛石膜層表面制備第一層金屬膜層，并控制金屬膜層的厚度為1-10μm；

接著，使用粒度為0.2-0.5μm金剛石細粉研磨金屬膜層表面及基片邊緣表面，然后用酒精進行超聲清洗，并用冷風吹干，再在金屬膜層上繼續利用化學氣相沉積方法沉積（110）取向占優的微米金剛石膜層，以此類推，按間隔順序依次進行微米金剛石膜層的沉積和金屬膜層的制備，直到達到厚膜所需的總厚度為止；其中，最后一層為微米金剛石膜層；