一种表面镀覆碳化硅的金刚石及其制备方法

本发明属于金刚石加工，具体涉及一种表面镀覆碳化硅的金刚石及其制备方法。

背景技术：

1、金刚石具有硬度、强度高，耐磨性、耐腐蚀性良好的特点，广泛应用于制备各种切削、锯切和钻探用的工具。由于金刚石与其他材料的界面结合性较差，在金刚石工具使用的过程会出现金刚石颗粒脱落的现象，使金刚石的利用率大大降低，从而导致工具的快速损耗和加工质量下降。

2、在散热领域，电子器件正朝着多功能和高度小型化的方向发展，功率密度的急剧增加，就要求电子封装材料具有高导热性，以确保有效的散热。金刚石具有优异的导热性，将其作为第二相，以制备金刚石复合材料用作电子封装材料的研究越来越广泛。同样由于金刚石与大部分金属、陶瓷等均具有较高的界面能，在应用过程中金刚石与基体的结合性不强，极易脱落，制得的复合材料的热性能比组元低，热性能恶化。

3、解决以上问题的主要途径是通过金刚石表面改性，在金刚石表面镀覆一层薄膜，既有利于减少金刚石高温环境下的石墨化，又有利于解决金刚石与基体界面结合性差造成的力学性能，热学性能下降的特点。

4、为改善金刚石与基体之间的界面结合，目前用于金刚石表面改性的元素主要有cr、mo、w、ti、zr、b、si且均有一定的改善。而用硅元素对金刚石进行界面改性的研究较少。在目前可选择的镀覆元素所对应的碳化物中，硅与金刚石表面碳原子形成的碳化硅热导率值最高，且在高温下的热膨胀系数小，可显著增加金刚石与基体的界面结合。

5、然而，在金刚石表面镀覆一层均匀致密的碳化硅同样存在技术难点，现有的镀碳化硅方法主要有磁控溅射法和真空微蒸镀法等，但现有的镀碳化硅的方法均存在不同的缺点及局限性。磁控溅射法单次镀覆量少，获得的膜厚度不均匀，对设备的要求较高；真空微蒸镀法的镀覆温度较高，容易对金刚石造成热损伤。以上分析说明金刚石表面镀碳化硅的方法有待进一步改善。

技术实现思路

1、基于背景技术存在的技术问题，提出了一种表面镀覆碳化硅的金刚石及其制备方法，通过加入金属镓使硅在熔点温度以下呈现液相，能够使金刚石在相对较低的温度下在硅镓液相介质中形成均匀的碳化硅镀层，在应用过程中改善金刚石与基体的结合性。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

3、本发明提出了一种表面镀覆碳化硅的金刚石的制备方法，包括如下步骤：

4、s1.依次用盐酸溶液和氢氧化钠溶液清洗金刚石，得预处理的金刚石颗粒；

5、s2.将硅镓混合物在非氧环境下热处理得到硅镓液相介质，然后将步骤s1所得预处理的金刚石颗粒与硅镓液相介质混合，在非氧环境下升温、保温进行镀覆反应，在金刚石表面形成镀层；

6、s3.将步骤s2所得形成镀层的金刚石置于带筛网的离心管内离心，干燥后过筛，用氢氧化钠溶液浸泡，去离子水清洗、干燥、筛分，即得表面镀覆碳化硅的金刚石。

7、按上述方案，所述步骤s1中，用盐酸溶液超声清洗金刚石，去除表面金属杂质，用去离子水洗至中性；接着将金刚石置于氢氧化钠溶液超声清洗，去除表面油脂，然后用去离子水洗至中性后，酒精清洗一至三次，干燥，得到预处理的金刚石颗粒。优选地，超声清洗时间为30～40min。

8、按上述方案，所述步骤s1中，盐酸溶液的浓度为10～15wt％，氢氧化钠溶液的浓度为5～15wt％。

9、按上述方案，所述步骤s2中，热处理硅镓液相介质的工艺为：温度为1410～1450℃，保温时间为5～15min。

10、按上述方案，所述步骤s2中，镀覆反应条件为：温度为1200～1300℃，保温时间为10～30min。

11、按上述方案，所述步骤s2中，硅镓液相介质中的硅含量为1～9wt％。

12、按上述方案，所述步骤s2中，硅镓液相介质中的硅与金刚石颗粒的质量比为1：(10～100)。

13、按上述方案，所述步骤s2中，硅镓液相介质中，硅的粒度为1～3μm。

14、按上述方案，所述步骤s2中，硅镓液相介质中，金属镓的纯度为99.99％，硅的纯度为99.99％。

15、按上述方案，所述步骤s2中，金刚石颗粒的平均粒度为100～400μm。

16、按上述方案，所述步骤s3中，离心的条件是：转速500～1000r/min，时间5～30min。

17、按上述方案，所述步骤s3中，氢氧化钠溶液浓度为5～15wt％，浸泡时间为6～15h。

18、提供一种上述方法制备所得表面镀覆碳化硅的金刚石。

19、本发明的有益效果为：

20、1.本发明提供了一种金刚石表面镀覆碳化硅的方法，通过控制硅镓比例，在1410～1450℃温度下得到硅镓均匀分布的液相，然后以硅镓液相为介质，将金刚石颗粒与硅镓液相介质混合并镀覆，在金刚石表面形成碳化硅层；其中硅镓液相介质中，因为金属镓在高温下呈现液相，能够促使硅在熔点温度以下维持熔化状态，可降低镀覆温度至1200～1300℃，保温时间也大大缩短，10～30min即可完成碳化硅层镀覆，有效避免了金刚石在高温下的石墨化现象，增加了金刚石与碳化硅层的结合性；同时，本发明以硅镓液相为介质，将传统的固-固反应变为固-液反应，有利于得到更加均匀致密的碳化硅层，显著改善后续金刚石作为增强相和基体的结合性，具有重要的应用前景。

21、2.本发明工艺简单，有效降低了碳化硅层的镀覆温度和时间，降低了能耗，提高了效率，具有工业化应用前景。

技术特征：

1.一种金刚石表面镀覆碳化硅的方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤s1中，用盐酸溶液超声清洗金刚石，去除表面金属杂质，用去离子水洗至中性；接着将金刚石置于氢氧化钠溶液超声清洗，去除表面油脂，然后用去离子水洗至中性后，酒精清洗一至三次，干燥，得到预处理的金刚石颗粒。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤s1中，盐酸溶液的浓度为10～15wt％，氢氧化钠溶液的浓度为5～15wt％。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤s2中，热处理硅镓液相介质的工艺为：温度为1410～1450℃，保温时间为5～15min；镀覆反应条件为：温度为1200～1300℃，保温时间为10～30min。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤s2中，硅镓液相介质中的硅含量为1～9wt％。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤s2中，硅镓液相介质中的硅与金刚石颗粒的质量比为1：(10～100)。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤s2中，硅镓液相介质中，硅的粒度为1～3μm；金刚石颗粒的平均粒度为100～400μm。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤s3中，离心的条件是：转速500～1000r/min，时间5～30min。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤s3中，氢氧化钠溶液浓度为5～15wt％，浸泡时间为6～15h。

10.一种权利要求1-9任一项所述的方法制备所得的表面镀覆碳化硅的金刚石。

技术总结
本发明公开了一种金刚石表面镀覆碳化硅的方法，其步骤为：S1.依次用盐酸溶液和氢氧化钠溶液清洗金刚石，得预处理的金刚石颗粒；S2.将硅镓混合物在非氧环境下热处理得到硅镓液相介质，然后将步骤S1所得预处理的金刚石颗粒与硅镓液相介质混合，在非氧环境下升温、保温进行镀覆反应，在金刚石表面形成镀层；S3.将步骤S2所得形成镀层的金刚石置于带筛网的离心管内离心，干燥后过筛，用氢氧化钠溶液浸泡，去离子水清洗、干燥、筛分，即得表面镀覆碳化硅的金刚石。本发明通过加入金属镓使硅在熔点温度以下呈现液相，能够使金刚石在相对较低的温度下在硅镓液相介质中形成均匀的碳化硅镀层，有利于金刚石与基体界面的结合性。

技术研发人员：李俊国,江峰,赵晨含,李美娟,张建,沈强
受保护的技术使用者：武汉理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5