[發明專利]一種金剛石粉末顆粒及其制備方法

在審

• 申請號: 202310036376.7
• 申請日: 2023-01-09
• 公開（公告）號: CN116117137A
• 公開（公告）日: 2023-05-16
• 發明（設計）人: 杜昊
• 申請（專利權）人: 佛山市金磁科技有限公司
• 主分類號: B22F1/18
• 分類號: B22F1/18;C01B32/28;B22F1/145;B22F1/142
• 代理公司: 北京眾澤信達知識產權代理事務所(普通合伙) 11701
• 代理人: 葉靜

本發明公開了一種金剛石粉末顆粒及其制備方法，屬于金剛石粉末表面防護、改性技術領域。金剛石粉末顆粒，由金剛石粉末顆粒及包覆在其表面的包覆層組成，所述包覆層從內層至外層依次為金屬?碳互擴散層、金屬層，且外層結構包覆內層。其制備方法包括：將金剛石粉末顆粒順次放入堿、酸和氧化性酸溶液中超聲清洗、活化；將羰基金屬液體氣化后通入包覆爐，在氣體加熱的金剛石粉末顆粒表面分解沉積；停止通入羰基金屬氣體，提高氣體溫度對所獲金剛石粉末顆粒熱擴散處理。本發明解決了金剛石粉末顆粒制備金屬基復合材料時與基體金屬親和性、潤濕性、被把持力不足，以及易氧化、石墨化等問題，具有操作簡便、高效、節能和環保等優點。

技術領域

本發明涉及金剛石粉末顆粒表面防護、改性技術領域，具體涉及一種金剛石粉末顆粒及其制備方法。

背景技術

金剛石晶體由碳原子相互間以共價鍵組成，每個碳原子在晶體結構中與周圍空間的四個碳原子以飽和共價鍵形式連接，形成規整的四面體結構。這一結構特征使金剛石不僅是自然界硬度最高的材料，而且具有優異的熱導率(2200W·m^-1·K^-1)、低的熱膨脹系數(0.86×10^-6/℃)和低的密度(3.52g·cm^-3)，被用于許多重要的工業領域，如精細研磨、電子封裝、各類鉆頭、拉絲模，還被作為很多精密儀器的部件。

實際應用中，金剛石一般以細粉或者顆粒狀存在。由于金剛石與大部分的金屬、陶瓷等材料之間存在很高的界面能，組成復合材料時無法有效地彼此潤濕，界面結合性非常差。在摩擦領域應用中出現了在磨削力的作用下易由基體金屬中脫落，并導致金剛石復合材料工件快速損耗等問題。在電子封裝領域應用中，金剛石與基體金屬如銅、鋁界面處存在較高的界面熱阻，嚴重影響電子封裝材料中元器件的有效散熱和使用壽命。同時，金剛石的熱膨脹系數遠遠低于金屬的熱膨脹系數，造成了應用過程中容易產生界面應力并導致金屬鍍層鼓包和脫落問題，無法滿足有溫度循環要求如航空航天等領域的使用要求。

另外，上述金剛石工具和器件多采用粉末冶金法生產，燒結溫度較高，而金剛石在空氣中加熱到700℃左右時，就開始發生氧化失重，并出現抗壓能力下降，至1000℃時金剛石就開始部分石墨化，這大大降低了金剛石工具和器件的使用效果。因此，如何提高金剛石與基體金屬的結合性和抗氧化性，防止金剛石在使用過程中的脫落及在高溫下的氧化、石墨化，是金剛石工具在使用過程中亟待解決的問題。

目前國內外一般通過表面預先形成金屬層，以提高金剛石與基體金屬的附著力，防止金剛石早期脫落，更好地發揮金剛石優良的性能。同時，表面金屬化的方法還可以防止金剛石被氧化、石墨化以及化學反應的侵蝕。在金剛石表面涂覆一層均勻、厚度可調控、較高結合強度的金屬層，是充分利用金剛石優異性能的重要基礎。

不過，一般純金屬與金剛石的親和性要么太差要么太強。一些高導熱的金屬如銀、銅、鋁等與金剛石的界面潤濕較差、界面結合不好，從而導致復合材料具有較低的熱導率、較高的熱膨脹系數以及較低的力學性能；而其他一些金屬如W、Cr、Ti和Mo等過渡金屬則與金剛石有較強的反應活性(也被稱為強碳化物形成元素)。近年來，圍繞著強碳化物形成元素，有研究人員提出采用磁控濺射法+真空熱處理、溶膠-凝膠法+氫氣還原熱處理方法，在金剛石表面包覆一層包括W、Cr、Ti、Mo、Zr等元素的碳化物層，進一步改善金剛石與金屬基體之間的潤濕性，從而提高復合材料的熱導率(張荻，苑孟穎，譚占秋等.金剛石/銅復合界面導熱改性及其納米化研究進展[J].金屬學報,2018,54(11)：1586-1596)。他們認為，金屬碳化物的性能不僅介于金屬和金剛石之間，可以提高二者的浸潤性。而且，碳化物還具有防護作用，隔絕與氧的直接接觸，防止金剛石高溫下被氧化。但是，界面結合過強，也導致了界面結構難于控制及裂紋容易萌生，反而導致外力下包覆層容易剝離等不足。同時，高溫下界面生成的碳化物層過厚，增加了界面熱阻并降低了復合材料的熱導率。而且，W、Cr、Ti等金屬在高溫下不夠穩定，在制備復合材料過程中易溶解入金屬基體中，最終得到的復合材料往往出現界面結合不緊密、界面脫粘的現象。