[发明专利]一种金刚石粉末颗粒及其制备方法

说明书

本发明公开了一种金刚石粉末颗粒及其制备方法，属于金刚石粉末表面防护、改性技术领域。金刚石粉末颗粒，由金刚石粉末颗粒及包覆在其表面的包覆层组成，所述包覆层从内层至外层依次为金属‑碳互扩散层、金属层，且外层结构包覆内层。其制备方法包括：将金刚石粉末颗粒顺次放入碱、酸和氧化性酸溶液中超声清洗、活化；将羰基金属液体气化后通入包覆炉，在气体加热的金刚石粉末颗粒表面分解沉积；停止通入羰基金属气体，提高气体温度对所获金刚石粉末颗粒热扩散处理。本发明解决了金刚石粉末颗粒制备金属基复合材料时与基体金属亲和性、润湿性、被把持力不足，以及易氧化、石墨化等问题，具有操作简便、高效、节能和环保等优点。

技术领域

本发明涉及金刚石粉末颗粒表面防护、改性技术领域，具体涉及一种金刚石粉末颗粒及其制备方法。

背景技术

金刚石晶体由碳原子相互间以共价键组成，每个碳原子在晶体结构中与周围空间的四个碳原子以饱和共价键形式连接，形成规整的四面体结构。这一结构特征使金刚石不仅是自然界硬度最高的材料，而且具有优异的热导率(2200W·m^-1·K^-1)、低的热膨胀系数(0.86×10^-6/℃)和低的密度(3.52g·cm^-3)，被用于许多重要的工业领域，如精细研磨、电子封装、各类钻头、拉丝模，还被作为很多精密仪器的部件。

实际应用中，金刚石一般以细粉或者颗粒状存在。由于金刚石与大部分的金属、陶瓷等材料之间存在很高的界面能，组成复合材料时无法有效地彼此润湿，界面结合性非常差。在摩擦领域应用中出现了在磨削力的作用下易由基体金属中脱落，并导致金刚石复合材料工件快速损耗等问题。在电子封装领域应用中，金刚石与基体金属如铜、铝界面处存在较高的界面热阻，严重影响电子封装材料中元器件的有效散热和使用寿命。同时，金刚石的热膨胀系数远远低于金属的热膨胀系数，造成了应用过程中容易产生界面应力并导致金属镀层鼓包和脱落问题，无法满足有温度循环要求如航空航天等领域的使用要求。

另外，上述金刚石工具和器件多采用粉末冶金法生产，烧结温度较高，而金刚石在空气中加热到700℃左右时，就开始发生氧化失重，并出现抗压能力下降，至1000℃时金刚石就开始部分石墨化，这大大降低了金刚石工具和器件的使用效果。因此，如何提高金刚石与基体金属的结合性和抗氧化性，防止金刚石在使用过程中的脱落及在高温下的氧化、石墨化，是金刚石工具在使用过程中亟待解决的问题。

目前国内外一般通过表面预先形成金属层，以提高金刚石与基体金属的附着力，防止金刚石早期脱落，更好地发挥金刚石优良的性能。同时，表面金属化的方法还可以防止金刚石被氧化、石墨化以及化学反应的侵蚀。在金刚石表面涂覆一层均匀、厚度可调控、较高结合强度的金属层，是充分利用金刚石优异性能的重要基础。

不过，一般纯金属与金刚石的亲和性要么太差要么太强。一些高导热的金属如银、铜、铝等与金刚石的界面润湿较差、界面结合不好，从而导致复合材料具有较低的热导率、较高的热膨胀系数以及较低的力学性能；而其他一些金属如W、Cr、Ti和Mo等过渡金属则与金刚石有较强的反应活性(也被称为强碳化物形成元素)。近年来，围绕着强碳化物形成元素，有研究人员提出采用磁控溅射法+真空热处理、溶胶-凝胶法+氢气还原热处理方法，在金刚石表面包覆一层包括W、Cr、Ti、Mo、Zr等元素的碳化物层，进一步改善金刚石与金属基体之间的润湿性，从而提高复合材料的热导率(张荻，苑孟颖，谭占秋等.金刚石/铜复合界面导热改性及其纳米化研究进展[J].金属学报,2018,54(11)：1586-1596)。他们认为，金属碳化物的性能不仅介于金属和金刚石之间，可以提高二者的浸润性。而且，碳化物还具有防护作用，隔绝与氧的直接接触，防止金刚石高温下被氧化。但是，界面结合过强，也导致了界面结构难于控制及裂纹容易萌生，反而导致外力下包覆层容易剥离等不足。同时，高温下界面生成的碳化物层过厚，增加了界面热阻并降低了复合材料的热导率。而且，W、Cr、Ti等金属在高温下不够稳定，在制备复合材料过程中易溶解入金属基体中，最终得到的复合材料往往出现界面结合不紧密、界面脱粘的现象。