金刚石/金属触媒界面表征及金刚石生长的热力学分析

利用场发射扫描电子显微镜(FESEM)和X射线能谱仪(EDS)研究了高温高压触媒法合成金刚石后金刚石/触媒界面的物相组成,发现铁镍元素与碳元素的原子比为3.1: 1,并分析得出高温高压下界面中存在Fe3C、Ni3C物相结构.据此,利用热力学中经典的ΔG<0判定法,计算Me3C(Me:Fe,Ni)物相分解出金刚石的自由能变化.结果表明:在触媒法合成金刚石条件下(1500～1700 K、5～6 GPa),Me3CC(金刚石)+3Me比石墨金刚石的ΔG更负.因此,从热力学角度看,Me3C的形成,尤其是铁基触媒中Fe3C、Ni3C的形成,说明触媒法合成金刚石单晶是来自于Me3C型碳化物的分解,而并非石墨结构的直接转变.     

人造金刚石/金属包膜界面差异性研究进展

在高温高压条件下,利用过渡族金属触媒合成金刚石单晶时,金刚石单晶表面的金属包膜在不同的生长界面上呈现不同形貌花样,揭示其本质对研究金刚石单晶的合成机理具有重要意义.本文从金属包膜不同界面间在形貌、成分、组织结构等方面的差异性出发,阐述了近年来人造金刚石单晶生长机理的研究现状,同时又提及余氏理论和程氏理论在金属包膜界面研究中的应用.并在此基础上提出今后的研究方向.     

超高频连续感应钎焊金刚石界面特征

提出超高频连续感应钎焊工艺方法,采用Ag-Cu-Ti合金钎焊金刚石磨粒与大尺寸钢基体.通过扫描电子显微镜(SEM)和X射线能谱仪(EDX)对钎焊后的试样界面微观结构以及金刚石磨粒表面生成物形貌特征进行观察和分析.结果表明,超高频连续感应钎焊实现了金刚石、钎料、基体三者之间的连接,钎焊后的钎料层组织晶粒细小,局部区域可见到枝晶状组织.金刚石与钎料层界面存在Ti元素与C元素的反应层,在金刚石磨粒表面生成点状TiC晶体,其直径均100 nm以下,且在金刚石表面呈离散分布.与真空炉中钎焊工艺相比,该界面结构更有利于钎料层对金刚石磨粒的连接把持.     

界面对热沉用金刚石-Cu复合材料热导率的影响

用特殊粉末冶金技术制备了金刚石-Cu复合材料.用SEM、拉曼光谱、EDS分析了复合材料的界面状态,用激光闪光法测量复合材料常温下的热导率.结果表明:在最佳工艺参数下,复合材料热导率可达570W·m-1·K-1;烧结时添加适量的钴可极大促进金刚石与铜之间的粘结;钴向金刚石中的扩散及其在铜熔液中的固溶,使金刚石与铜之间形成过渡层;过渡层可增强金刚石与铜基体过渡界面的相容性,降低界面热阻;金刚石骨架的形成有助于获得超高热导率.     

金刚石磨粒/Cu-Sn-Ti合金/金属胎体复合节块界面微结构

采用铜锡钛(Cu-Sn-Ti)合金钎料分别利用两种常规钎焊方法进行金刚石磨粒预钎焊处理试验并制备复合节块.通过静压强度试验测试了预钎焊磨粒的静压强度,通过三点抗弯试验测试了复合节块的强度,并使用扫描电镜、能谱仪、X型射线衍射仪分析预钎焊金刚石磨粒和复合节块断口的微结构.结果表明:真空炉中预钎焊后金刚石磨粒表面形貌较好,Cu-Sn-Ti合金钎料与金刚石在预钎焊过程中发生了界面元素扩散,形成化学结合界面,Cu-Sn-Ti合金钎料对金刚石的热损伤较小;预钎焊金刚石磨粒的体积浓度为10; ～40;时复合节块抗弯强度达到791MPa以上,高于常规金刚石节块强度;预钎焊金刚石磨粒与金属胎体在烧结过程中发生了界面元素扩散,形成冶金结合,复合节块界面结合强度高.     

金刚石膜热沉金属化Ti/Ni/Au体系的研究

利用电子束蒸镀实现了Ti/Ni/Au多层膜在CVD金刚石膜上的金属化,并研究了预处理和后处理工艺对多层膜在基底上结合的影响,发现高温预处理对多层膜和基底的结合有明显的改善.参照国标GJB 126-86进行了热循环试验,未发现多层膜从金刚石膜脱落.利用背散射谱研究了Ti/Ni/Au金属化体系在真空中分别加热400℃和500℃,60 min 金属层的热稳定性.结果发现:优化工艺金刚石膜和金属层间的良好结合和稳定性满足金刚石膜热沉应用的要求.     

Cu-Sn-Cr真空钎焊金刚石界面微结构分析

为降低钎焊金刚石的热损伤和制造成本,开发了一种适于钎焊金刚石的混合金属粉Cu-Sn-Cr作为钎料,并对金刚石磨粒进行了钎焊实验.采用SEM、EDS及XRD对金刚石焊后界面微结构进行了分析.结果表明:适合钎焊金刚石的活性成分为Cu76Sn19Cr5,该钎料能够实现金刚石的高强度连接.在金刚石与钎料界面处有碳化物生成,钎料组织主要由α-Cu固溶体、Cu41Sn11.金刚石焊后形貌完整,表面基本光滑,表面生成了连续片状Cr7C3.     

金刚石工具胎体性能的弱化问题研究

本文研究了金刚石工具胎体材料的性能"弱化"问题.提出了"弱化"胎体材料的某些性能,对于提高工具切割使用性能是一种有效方法."弱化"的效果和"弱化"的程度可以分别用切割指数Z和耐磨性失重Δm来表怔.建立了切割指数Z与胎体耐磨性失重Δm之间的关系,将"弱化"的设计思想具体化和实用化.     

金刚石大单晶中金属包裹体形态变化的研究

采用高温高压法对含有金属包裹体的金刚石大单晶进行了处理,发现在5.4 GPa的条件下,金属包裹体形态变化的温度区间与金刚石大单晶合成的温度区间具有一致性,约在1500 ～ 1650 K.在1525 ～1625 K这一温度范围内,金属包裹体随着温度的升高,其形态都有向球体变化的趋势,随着处理时间的延长,包裹体形态最终会趋于稳定.不同的温度条件下,包裹体的稳定形态也不同,但包裹体高温下的稳定形态具有一定的不可逆性,同时包裹体的稳定形态也与处理前晶体中包裹体的原始形态有关.红外光谱分析发现,处理前后金刚石中以孤氮为主的氮杂质存在形式未发生改变.     

金刚石单晶合成效果与合成后铁基触媒组织的相关性研究

采用粉末冶金法制备铁基触媒片,在六面顶压机上高温高压合成金刚石单晶.利用扫描电子显微镜(SEM)、光学显微镜(OM)等表征了不同成分的触媒以及同一触媒在不同合成时间条件下金刚石单晶的合成质量和合成后的铁基触媒组织.结果表明:当金刚石单晶合成质量较好时,合成后铁基触媒组织特征表现为初生板条状渗碳体分布较均匀,呈平行生长的条束,渗碳体的板条两边缘较平直,而且数量较多.触媒成分和合成时间是影响铁基触媒组织中初生渗碳体的数量和形态的主要因素.     

纳米金刚石薄膜的掺杂、表/界面调控及性能研究

本文综述了近年来国内外研究者在纳米金刚石薄膜的掺杂、导电性能、场发射性能和电化学性能等方面的工作,涉及化学气相沉积法制备n型纳米金刚石薄膜,离子注入掺杂纳米金刚石晶粒提高薄膜的n型导电性能,金属离子注入制备场发射性能良好的纳米金刚石薄膜,低剂量离子注入和晶粒表面氧终止态获得高迁移率n型电导,纳米金刚石/石墨烯复合结构的调控对其电学及电化学性能的影响,以及硼掺杂金刚石薄膜电极的微结构和电化学性能研究等。综合分析发现,晶粒掺杂和表界面协同调控可以提升薄膜的电学性能、场发射性能及电化学性能,为纳米金刚石薄膜在纳米电子器件、电化学电极等领域的应用提供了理论基础。     

高质量金刚石膜在无氧铜衬底上的MPCVD

本文采用高纯无氧铜(Cu)片作为基片,用自行设计的微波等离子体化学气相沉积系统,制备出了高质量多晶金刚石膜.用场发射扫描电子显微镜(SEM)、Raman散射谱和X射线衍射谱(XRD)对制备的金刚石膜进行了表征与分析,其结果证明金刚石膜具有较优的质量.     

金刚石表面化学镀铜的研究

为了改善金刚石与金属基体的润湿性,利用化学镀的方法在金刚石粉体表面成功的进行了镀铜,通过X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)等测试手段研究了pH值及添加剂对镀层的组织、形貌及镀速的影响.结果表明:当镀液的pH值低于10.5时,镀速几乎为零,没有反应发生;pH值在10.5～12.5时,镀速随pH值的增大而增大,XRD图谱中开始有铜的衍射峰出现,且衍射峰随pH值的增大而增强;pH值大于12.5时,镀速开始随pH值增大而下降,衍射峰开始随pH值增大而减弱.当pH值为11时,金刚石基体有裸漏现象,镀层较薄;pH值为12时,镀层表面较为致密、结合较好、有一定厚度且包覆严实;pH值为13时,镀层开始变得粗糙,有卷边、起皮及脱落现象.当向镀液中分别添加适量的亚铁氰化钾及二联吡啶时,能够提高镀液的稳定性,两种添加剂对铜的化学沉积都有阻化作用,降低铜的沉积速率,使镀层光亮致密.     

合成CVD金刚石涂层用硬质合金基体预处理工艺优化研究

以CH3COCH3和H2为反应气源,采用热丝CVD法在经过两步法和三步法预处理的YG6硬质合金(WC-6wt;Co)基体上沉积金刚石涂层.利用扫描电子显微镜和能谱仪分析检测预处理后的YG6基体的表面形貌和钴含量,通过对比三步法与两步法的预处理结果确定三步法最佳工艺.利用扫描电镜、X射线衍射仪和硬度计检测所得金刚石涂层的表面形貌、结晶性和膜基结合性.结果表明:三步法最佳工艺为先采用酸溶液腐蚀20 s,然后采用碱溶液腐蚀20 min,最后继续用酸溶液腐蚀3 min.三步法预处理后的YG6基体获得的金刚石薄膜生长更加均匀致密,晶粒取向更高,膜基结合性能更好.     

SiC中间层对金刚石涂层硬质合金刀具膜 基界面结合性能的影响

基于第一性原理分别计算了WC-Co/Graphite/Diamond、WC-Co/SiCC-Si/Diamond和WC-Co/SiCSi-C/Diamond界面模型的粘附功、断裂韧性,分析了电子结构和态密度.结果表明:Graphite/Diamond界面粘附功极小,金刚石在石墨基面上成核不良;WC-Co/Graphite界面处Co与C(Graphite)原子具有同种电荷而相斥,添加SiC中间层改变了界面处原子的电荷分配与成键方式,WC-Co/SiC界面Co与C(或Si)原子具有异种电荷而相吸,且Co-Si(SiC)键强于Co-C(SiC)键;SiC/Diamond界面C(SiC)-C(Diamond)键强于Si(SiC)-C(Diamond)键.因此,三种界面模型中各界面的粘附功SiCSi-C/Diamond>SiCC-Si/Diamond>WC-Co/SiCSi-C>WC-Co/SiCC-Si>WC-Co/Graphite>Graphite/Diamond.总之,添加SiC中间层提高了金刚石涂层硬质合金刀具膜基界面结合性能.