[发明专利]二氧化硅膜包覆的二氧化硅-金刚石复合材料及制备方法

说明书

本发明为一种二氧化硅膜包覆的二氧化硅‑金刚石复合材料及其制备方法，解决了金刚石和二氧化硅两种材料应用限制的问题。该复合材料由芯部和表层组成，芯部为多层膜结构，每层膜是由二氧化硅和金刚石组成的混合相，表层为二氧化硅膜。该复合材料制备时，首先采用微波等离子体化学气相沉积技术在石墨基体表面进行金刚石和碳化硅的共沉积，随后对碳化硅‑金刚石复合膜进行微波氧等离子体刻蚀，形成二氧化硅‑金刚石混合相膜，继续制备多层二氧化硅‑金刚石混合相膜，形成二氧化硅‑金刚石的多层膜结构，最后在二氧化硅‑金刚石的多层膜结构表层制备二氧化硅膜即可。本发明复合材料制备没有采用传统的涂层工艺，制备的复合材料具有良好的透过性、散热性和抗氧化性，适合作为窗口材料使用。

技术领域

本发明属于化学气相沉积技术领域，具体是一种二氧化硅膜包覆的二氧化硅-金刚石复合材料及制备方法。

背景技术

金刚石具有较好的光透过性能、较强的抗辐照损伤性、极强的耐腐蚀性和耐磨损性能，以及极佳的散热性能，使其可用作在苛刻环境下服役的装甲车的 X 射线窗口材料和红外窗口材料等，同时金刚石还是高速拦截导弹头罩、航空飞机窗口材料、战斗机机头的探测窗口材料和红外阵列热成像引导窗口的不二选择。但是金刚石的热稳定性差，在高温含氧环境工作，或高速环境工作时，空气动力会加热由其制作的窗口或头罩，使表面温度急剧上升，当温度达到650 ℃左右时，金刚石涂层在大气中开始氧化，而在真空或惰性气氛下大约1500 ℃开始转变成石墨。这些问题都严重限制了金刚石作为红外窗口在高温氧化环境中的应用。目前，研究人员多通过离子注入或镀双层及多层耐高温薄膜来提高其抗氧化能力。但在抗蚀能力方面，任何涂层也比不上金刚石，一旦外层氧化保护膜被蚀，金刚石就会由于暴露在大气中，再次面临被氧化的问题。

二氧化硅是硅的氧化物，在可见光和近红外区域均为透明，是一种理想的光学薄膜，同时二氧化硅具有优异的抗氧化性和良好的耐蚀性，但是其散热性能差，导致其不适用于需要良好散热的环境。

由上述描述可知，金刚石和二氧化硅是两种性质差异较大的材料，这种差异使得制备二者的混合相复合材料，是一个较大的技术难点。目前，有少数研究人员通过调整工艺参数，在二氧化硅薄层（一般小于1微米）表面实现了金刚石的沉积，通过采用薄层，降低因金刚石和二氧化硅的热膨胀系数等差异引入的界面应力。另外一部分研究人员金刚石表面制备二氧化硅薄膜，来改善金刚石的性能，如发明专利CN105463375A提供了一种氧化硅镀覆金刚石的方法，这种方法改善金刚石磨粒的抗氧化性和润湿性。但是目前未见有将金刚石和二氧化硅这两种材料制备成混合相复合材料的报道。

发明内容

本发明的目的是为了解决金刚石和二氧化硅这两种材料在应用上的限制，而提供一种二氧化硅膜包覆的二氧化硅-金刚石复合材料。该材料的芯部由金刚石和二氧化硅混合相构成的多层膜组成，表层为二氧化硅保护膜。该复合材料兼具金刚石和二氧化硅的高透过性，金刚石的高散热性和耐蚀性，氧化硅的抗氧化性，可用作窗口材料或窗口材料的保护膜层。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种二氧化硅膜包覆的二氧化硅-金刚石复合材料，由芯部和表层组成，其中，芯部为多层膜结构，每层膜是由二氧化硅和金刚石组成的混合相，表层为二氧化硅膜。

作为优选的技术方案，芯部的每层膜的厚度为1-20μm，表层的二氧化硅膜的厚度为1-50μm。

作为优选的技术方案，该复合材料作为涂层材料时，表层的二氧化硅膜包覆芯部的上表面及侧表面，芯部的底面沉积在基体材料上。

作为优选的技术方案，该复合材料作为自支撑体材料时，表层的二氧化硅膜包覆芯部的上表面、下表面及侧表面。

进一步的，本发明还提供了上述二氧化硅膜包覆的二氧化硅-金刚石复合材料的制备方法，具体包括如下两种情况：

一、当该复合材料作为涂层材料时，其制备方法包括如下步骤：