[发明专利]高磨耗比、高断裂强度微米金刚石厚膜及其制备方法

说明书

本发明为一种高磨耗比、高断裂强度微米金刚石厚膜及其制备方法，属于超硬材料制备技术领域。本发明厚膜由紧密连接的多层微米金刚石膜层和多层金属膜层复合而成的，微米金刚石膜层和金属膜层依次间隔设置，且最顶层和最底层都为微米金刚石膜层；微米金刚石膜中（110）晶粒取向占优，晶粒尺寸为10‑200μm，膜厚度为50‑200μm；金属膜层的厚度为1‑10μm。制备时，采用化学气相沉积方法沉积金刚石膜层，采用薄膜合成方法制备金属膜层。本发明通过添加金属膜层阻断微米金刚石晶粒的长大，使后续的金刚石在金属层表面重新形核并生长。最终获得的金刚石厚膜主要由细小晶粒（110）取向占优的微米金刚石构成，具有高的磨耗比和高的断裂强度。

技术领域

本发明属于超硬材料制备技术领域，具体是一种高磨耗比、高断裂强度微米金刚石厚膜及其制备方法。

背景技术

化学气相沉积（CVD）金刚石膜具有优异的综合物理化学性质，在机械、航空航天、光学等领域具有良好的应用前景。当CVD金刚石膜作为切削或修整工具使用时，耐磨性能和断裂强度是两个主要的性能指标。

与其它取向的CVD金刚石相比，（110）取向占优的CVD金刚石具有耐磨性高，生长温度适中的特点。但是，由于CVD金刚石膜的制备一般通过等离子体辅助实现，随着膜厚度的增加，基片在等离子体中的位置会发生改变，膜的沉积环境即所处温度场、流场、电磁场、氢原子及碳基团的浓度等，均会发生不同程度的改变。因此，择优取向会发生改变。与此同时，随着沉积时间的延长，晶粒的长大，膜中晶界的尺度会增加，数量减少，晶界间的孔洞等其它大尺度缺陷出现的几率也会同时增加。这种组织结构的变化，会造成CVD金刚石膜断裂强度的降低。

发明内容

本发明的目的是为了解决常规方法制备的金刚石厚膜表面粗糙、断裂强度差的问题，而提供一种高磨耗比、高断裂强度微米金刚石厚膜，该厚膜是由多层微米金刚石膜层/金属膜层交替排列而成的。同时，本发明的另一个目的是提供上述厚膜的制备方法。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种高磨耗比、高断裂强度微米金刚石厚膜，是由紧密连接的多层微米金刚石膜层和多层金属膜层复合而成的，其中，微米金刚石膜层和金属膜层依次间隔设置，且最顶层和最底层都为微米金刚石膜层；所述的微米金刚石膜层中（110）晶粒取向占优，且晶粒尺寸为10-200μm，所述的微米金刚石膜层的厚度为50-200μm，所述的金属膜层的厚度为1-10μm。

作为优选的技术方案，所述的金属膜层采用能够与金刚石形成良好结合强度的强碳化物形成元素。

作为优选的技术方案，所述的强碳化物形成元素为Mo、W、Cr、Ti、Zr、Ta、V。

上述高磨耗比、高断裂强度微米金刚石厚膜的制备方法，包括如下步骤：

首先，利用化学气相沉积方法在硅基片表面沉积（110）取向占优的微米金刚石膜层；具体为：使用单面抛光单晶硅片作为基片，用粒度为0.2-0.5µm的金刚石细粉手工研磨硅片表面，然后用酒精进行超声清洗，并用冷风吹干，用化学气相沉积方法在其表面沉积第一层微米金刚石膜层，控制金刚石晶粒为（110）占优取向，控制金刚石晶粒尺寸为10-200μm，控制微米金刚石膜层的厚度为50-200μm；

然后，利用薄膜合成方法在微米金刚石膜层上制备金属膜层；具体为：用酒精超声清洗沉积了微米金刚石膜层的基片表面，并用冷风吹干，利用薄膜合成方法在微米金刚石膜层表面制备第一层金属膜层，并控制金属膜层的厚度为1-10μm；

接着，使用粒度为0.2-0.5µm金刚石细粉研磨金属膜层表面及基片边缘表面，然后用酒精进行超声清洗，并用冷风吹干，再在金属膜层上继续利用化学气相沉积方法沉积（110）取向占优的微米金刚石膜层，以此类推，按间隔顺序依次进行微米金刚石膜层的沉积和金属膜层的制备，直到达到厚膜所需的总厚度为止；其中，最后一层为微米金刚石膜层；