[发明专利]一种超薄钨膜包覆金刚石的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于功能材料领域，提供了一种具有微量碳化钨过渡层的超薄钨膜包覆金刚石的制备方法，该包覆钨膜金刚石可用于切削材料及高导热金属基复合材料的制备，以改善金刚石与金属基体的界面结合、增加把持力，降低界面热阻。

背景技术

金刚石是目前已知的自然界中存在的硬度和热导率最高的材料，广泛应用于切削材料和高导热金属基复合材料的制备。但金刚石与金属基体的润湿性差、界面结合不好，或者易与金属发生化学反应，因此不能充分发挥其良好的导热性能。由于金属钨的热导率高、热膨胀系数适中，并能与金刚石在高温下反应生成碳化物，因此金刚石表面镀钨不但能提高其与金属基体的把持力，改善界面结合，还能极大提高金属基复合材料的导热性能，同时可降低材料本身由热失配产生的界面应力，延长材料的使用寿命。但由于金刚石不导电，且在水溶液中无法单独沉积金属钨，同时钨的熔点很高(3400℃)，因此传统的电镀、化学镀等方法无法在金刚石表面制备超薄钨膜。目前，制备超薄钨膜包覆金刚石主要采用高温扩散反应、气相沉积以及磁控溅射等方法，但这些方法不但对设备要求高，制备成本昂贵，而且很难保证金刚石表面钨膜的完整性和均匀性。

对现有技术的文献检索发现，文献“High thermal conductivity composites consisting of diamond filler with tungsten coating and copper(silver)matrix”(钨膜金刚石/铜(银)基高导热复合材料)(Journal of Materials Science 46(2011)1424-1438)将金刚石与钨粉和少量三氧化钨粉末(其熔点比钨粉低2000℃)共混、再通过900-1100℃高温扩散反应在金刚石表面制备了厚度为5-500纳米的钨膜；中国专利(CN101012547A)“金刚石、立方氮化硼颗粒表面镀钨、铬、钼的方法及设备”，先将预先加热的金刚石传送至专用镀膜室，再通入羰基钨络合物蒸汽，振动或搅拌金刚石，使羰基钨络合物在高温金刚石表面分解，再将其输送至冷却钝化室冷却钝化，从而在金刚石颗粒表面形成钨膜。上述方法的主要缺点在于：(1)高温扩散反应温度很高，镀膜过程的可控性差；(2)高温扩散反应法中，金刚石与钨粉和三氧化钨粉末难以均匀混合，无法保证镀膜的完整性和均匀性；(3)羰基钨络合物价格昂贵，且需要专门设备，制备成本很高。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种基于钨溶胶表面包覆与氢热还原处理制备超薄钨膜包覆金刚石的方法。该方法操作简单，制备成本低廉，且处理温度低，所得镀膜包覆完整、厚度均匀可控。

本发明是通过以下技术方案实现的：首先采用纯钨粉与双氧水反应制备钨溶胶，然后用硝酸对金刚石表面进行粗化处理，再将粗化处理的金刚石进行溶胶处理，获得包覆钨溶胶薄膜的金刚石，最后将该金刚石烘干后进行氢热还原，获得具有微量碳化钨过渡层的超薄钨膜包覆金刚石。

本发明包括以下步骤：

1)制备钨溶胶：将钨粉缓慢加入双氧水中进行反应，整个过程持续搅拌并采用冷水浴控制反应温度在5-30℃，直至钨粉完全反应，反应结束后获得乳白色溶液，除去未反应的双氧水，再分别滴加乙酸和乙醇搅拌均匀，再搅拌加热至40-100℃保温1-24小时或者常温密闭静置进行老化处理，将容器底部的沉淀滤掉，得到淡黄色透明的钨溶胶；

2)金刚石粗化处理：用去离子水对金刚石进行超声清洗，再将其浸入浓硝酸浸泡，然后分别用去离子水、无水乙醇冲洗，获得表面粗化的金刚石；

3)溶胶处理：将表面粗化的金刚石浸没在钨溶胶中搅拌，滤掉钨溶胶，放入烘箱干燥后，获得包覆钨溶胶薄膜的金刚石；

4)氢热还原：将上述处理的金刚石置入氢气气氛炉内，升温至700-950℃后保温0.5-5.0小时，对钨溶胶膜进行氢热还原，随炉冷却后获得具有微量碳化钨过渡层的超薄钨膜包覆金刚石。

在本发明中，所述的超薄钨膜厚度为10-500纳米。

在本发明中，所述的金刚石可为颗粒或者片状、膜状、纤维状。

在本发明中，所述的钨粉粒度小于200目。

在本发明中，所述的双氧水浓度为30％以上。

在本发明中，所述的浓硝酸浓度为60％以上。

在本发明中，所述的钨粉与双氧水的用量关系为：1克钨粉/(2-100)毫升双氧水，优选的比例为1克钨粉/5毫升双氧水。