金刚石表面特性和表面金属化专题培训课件

金刚石表面特性和 表面金属化
前言
• 金刚石由于具有高硬度、低摩擦系数、高热导率、 低膨胀系数、低放射性等许多优异的物理特性， 在许多工业领域都得到应用。尤其是由金刚石和 金属、陶瓷或高分子树脂结合在一起做成的金刚 石工具，不仅被广泛用于民用建筑与土木工程、 石材加工业、汽车工业、交通工业、地勘与国防 工业等领域和其它现代高新技术领域，而且在宝 石、医疗器械、木材、玻璃钢、石材工艺品、陶 瓷、复合金属和硬脆材料等众多新领域不断出现， 社会对金刚石工具的需求也逐年增加。
• 金刚石粒度越细，表面吸附杂质越多，纳 米金刚石更甚，这就为金刚石表面改性提 供了可能。
• 张书达、朱瑶华[1] 利用二次离子质谱法 (SIMS)对金刚石表面杂质元素N、Na、Mg、 Si进行了分析和测量，并用Ar+剥蚀金刚石 表面，发现杂质浓度最大值均位于最外的 一薄层内。
• 李颖、李焕锋等[2]用热分析和红外分析对爆 轰纳米金刚石进行了研究，发现空气中纳 米黑色金刚石在478℃~515℃开始氧化，N2 中加热到700℃之前失重很少；灰色纳米金 刚石在570℃开始氧化，N2中加热到950℃
天然金刚石形状图
天然金刚石图1
天然金刚石图2
立方体
歪斜八面体
曲面四六面体
带壳金刚石
天然金刚石形状图
1.3金刚石表面缺陷
• 金刚石在形成过程中表面会出现三角凹痕、三角 座（突起的三角形）、生长阶梯、纹理、结节 （纹理发生改变处）和凹角等生长特征，使金刚 石表面变得不平整。
三角凹痕
生长阶梯
纹理和结节
• 八面体与菱形十二面体聚形 及八面体与立方体聚 形：
人造金刚石形状
• 人造金刚石单晶呈平面状，具有清晰的晶 棱及顶角。人造金刚石比天然金刚石的晶 棱及顶角更明晰，晶面更平整。人造金刚 石立方体与八面体的聚形多见，很少见到 菱形十二面体。
人造金刚石形状图
八面体与菱形十二面体聚形
八面体与立方体聚形
二、金刚石表面的化学特性
• 金刚石为碳单质，常含有Si、Mg、Al、Ca、 Mn、Ni、Na、B、Cu、Fe、Co、Cr、Ti、 N等杂质元素。
• 金刚石化学性质非常稳定，在酸、碱中均 不分解。在熔融的硝酸钠、硝酸钾、碳酸 钠中有溶蚀；此外浓硫酸、铬酐、浓硝酸 和双氧水等在较高温度下对金刚石表面有 一定程度的腐蚀；
• 晶面上常有阶梯或不平的“浮雕刻象”，八面体 的晶面上有时出现三角形坑穴，它的顶角朝着八 面体的晶棱，立方体的晶面则有漏斗状凹陷，而 菱形十二面体的晶面上常有深暗的线纹。
• 由于地壳的运动以及自然的冲积作用，曲面晶体 要比平面晶体多。
• 连生体进一步分成不规则连生体、平行连 生体和双晶(有连生双晶、穿插双晶、板状 双晶等)。
• 伴随着中国制造产业的崛起，中国金刚石 工具产业也得到了飞速发展，中国已有金 刚石具及相关材料和机械制造的生产厂 家有上千家，年产值超过几千亿元，已成 为国际金刚石工具市场的主要供应国之一。
• 金刚石工具在使用过程中普遍存在金刚石 大量脱落的问题，使金刚石工具性能下降， 成本上升，这涉及到不同材料间的界面结 合。
1.1 金刚石的颜色
• 人造金刚石常为浅黄色、浅黄褐色、浅黄 绿色、褐色等，无色人造金刚石很少；天 然金刚石98%都是无色至浅黄色，白色金刚 石很少，玫瑰色、粉红色、蓝色、绿色、 黑色、茶色十分稀少。
1.2 金刚石的形状
• 由四面体组成的金刚石常见晶体有立方体、八面 体和菱形十二面体。金刚石的晶体形态分为：
• 红外分析表明金刚石表面含有-COOH、-OH、 -CH、-C=O、-NO2、-C=C-等基团，在空气 中烧蚀，残余的基团较少，在N2中烧蚀大 部分基团能够保留。
• 户仓和、吉川昌范[3]把金刚石放入 700℃~900℃空气中14min~30min，研究了 空气对金刚石腐蚀，发现金刚石表面腐蚀 成凹凸状，（111）面腐蚀速度比（100） 面快；腐蚀能增大金刚石表面积，腐蚀时 间15min，温度900℃，表面积可达到最大， 金刚石与镀镍层的结合强度最高。
• 要解决该问题，就必须对金刚石的表面性质及与 金刚石粘接基体的界面性质有透彻了解，对金刚 石与粘接剂结合的原理和机制有深入研究；开发 出适合金刚石复合材料及相关材料的制备工艺， 并严格控制工艺过程，才能改善金刚石表面和粘 接材料的表面性能，提高界面结合强度，制造出 性能优异的金刚石产品，最终解决金刚石把持力 不牢的问题。
• 多晶体有圆粒金刚石(波尔特型)、浅红金刚 石和黑金刚石等几种。
• 圆粒金刚石是由颗粒连生体和不规则连 生体等微晶形成的球状集合体，呈乳白色 到钢灰色，常有裂缝，硬度很大。
• 浅红金刚石是一种由中心向外放射状排 列的微晶金刚石组成的集合体，外形呈圆 球状。这种多晶体外壳坚硬，内核较软， 硬度比圆粒金刚石和黑金刚石低，强度比
• 多晶金刚石又称聚晶金刚石，与单晶金刚石相比， 多晶金刚石有更多的晶棱和磨削面，每条晶棱都 有切削能力。聚晶金刚石具有自锐性和韧性，在 加工过程中会破碎成更小的颗粒，新的裂面形成
更锋利的切削棱，具有比单晶更独特的性能。
以下是某公司聚晶金刚石产品性能
天然金刚石形状
• 天然金刚石常见的形状为八面体和三角薄片双晶， 菱形十二面体少见，立方体更少。除此外，还有 凸八面体、凸十二面体、凸六面体及其聚形体等， 而聚形体要比形状规则的单晶体常见。
• 以下就金刚石表面及界面问题的相关主题和研究 状况作一综述。
一、金刚石表面的物理特性
• 金刚石表面摩氏硬度为10，显微硬度比石 英高1000倍，金刚石硬度具有方向性；弹 性模量达9~11×105MPa，摩擦系数小，有 极高的抗磨能力；金刚石表面有标准的金 刚光泽，折射率2.417，色散率0.044，反射 率：油浸下5.308%，空气中17.29%，具备 一定入射角度自然光在金刚石表面产生分 解的光谱色，俗称火彩。金刚石表面具有 非磁性、不良导电性（电阻率：5×104Ω.cm） 和摩擦生电性；
• 金刚石在高温下能转变成石墨被空气氧化。
2.1金刚石表面杂质、空气氧化和腐蚀
• 金刚石内部碳化学键是饱和的，表面碳原 子有“自由”化学键（“断键”），这些 “自由”化学键若与相邻的“自由”化学 键结合则是sp2杂化形成C=C双键，双键较 活泼 ；“自由”化学键也可能为表面杂质 原子及官能团所饱和，形成杂质覆盖层。