金刚石表面镀覆碳化硅的研究_穆云超
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本实验以硅粉 和 金 刚 石 为 原 料，通 过 高 温 固 相 反 应在金刚石表 面 形 成 ＳｉＣ 涂 层，同 时 研 究 了 金 刚 石 表 面镀钛对 ＳｉＣ 涂层的形成的影响。
１ 条 件 与 过 程
（ａ）ＸＲＤ 图谱
本系列实验材料选用 Ｓｉ粉末（粒径 １μｍ，纯度为 ９９ ％）、未镀覆和 镀 钛 两 种 金 刚 石（８０／１００，粒 径 １５０～ １８０μｍ）。Ｓｉ粉和金刚石按质量比１∶１进行混合，在研 钵中 充分 研磨 １ｈ，使 原 料 均 匀 ，然 后 转 入 刚 玉 坩 埚 中 ， 并将坩埚放 置 在 刚 玉 管 式 炉 体 的 中 央 位 置，于 １２００～ １４００ ℃氩气保护下进行固相烧结，保温１ｈ。待随炉冷 却后，筛 出 金 刚 石，用 超 声 波 清 洗，除 去 表 面 机 械 黏 附物。
Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｃｏａｔｉｎｇ ｏｆ ＳｉＣ ｏｎ ｄｉａｍｏｎｄ ｓｕｒｆａｃｅ
ＭＵ Ｙｕｎｃｈａｏ，ＬＩＡＮＧ Ｂａｏｙａｎ，ＳＵＮ Ｌｉｗｕ，ＣＨＥＮＧ Ｘｉａｏｚｈｅ，ＬＩＵ Ｔａｏ，ＺＨＡＮＧ Ｗａｎｇｘｉ （Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ＆ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｓｃｈｏｏｌ，Ｚｈｏｎｇｙｕａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，
３８
金刚石与磨料磨具工程
总 第 ２１０ 期
烧结［９］、微波 烧 结［１０］和 真 空 气 相 反 应 浸 渗［１１］。 金 刚 石–碳 化 硅 复 合 材 料 主 要 是 通 过 Ｓｉ粉 和 金 刚 石 化 学 反 应 而制备的，Ｓｉ与金刚石之间的化学结合 对 复 合 材 料 的 使用性能影响很大，因此有必要研究Ｓｉ与金刚石的化学 结 合 状 态 ，这 样 不 仅 可 为 该 复 合 材 料 的 工 程 应 用 提 供 重 要 的 基 础 数 据 ，而 且 有 助 于 了 解 复 合 材 料 的 微 观 结 构 与 其宏观力学性质之间的关系。
随 着 电 子 技 术 的 不 断 发 展 ，电 子 元 器 件 集 成 化 程 度 越 来 越 高 ，相 应 的 发 热 量 也 越 来 越 大 。 微 处 理 器 及 功 率 半 导 体 器 件 在 应 用 过 程 中 ，常 常 因 为 温 度 过 高 而 无 法 正 常工作。解决电器件散热问题最有效的方法是采用热 膨胀系 数 小、导 热 性 好 和 密 度 低 的 新 型 电 子 封 装 材 料［１–２］。金刚石–碳 化 硅 复 合 材 料 是 一 种 重 要 的 复 合 材 料 ，相 比 金 属 结 合 剂 金 刚 石 复 合 材 料 ，它 具 有 高 热 导 率 、
金刚石–碳 化 硅 复 合 材 料 可 通 过 许 多 工 艺 制 备 ，比 如 高 温 高 压 反 应 烧 结［７］、熔 融 硅 压 力 渗 透［８］、热 等 静 压
＊ 基金项 目： 河 南 省 科 技 开 放 合 作 项 目 （１４２１０６００００５１）；河 南 省 高 校 科 技 创 新 团 队 项 目 （１５ＩＲＴＳＴＨＮ００４）；郑 州 市 人 才 引 育 项 目 （１４１ＰＲＣＹＹ５１４）。
（中原工学院 材料与化工学院，郑州 ４５０００７）
摘要 采用硅粉与金刚石颗粒混合粉体为原料，通过高温热处理在金刚石表面镀覆 ＳｉＣ 晶 体，用 ＸＲＤ、 ＳＥＭ 和 ＥＤＳ分析产物的物相组成与显微形貌，同时研究金刚石镀钛对金刚石表面涂覆 ＳｉＣ 状态的影响。 研究结果表明：采用硅粉和金刚石混合粉体为原料，高温 １４００ ℃处理后，在金刚石表面上形成 了 ＳｉＣ，但 并没有形成连 续 的 涂 层，同 时 金 刚 石 发 生 一 定 程 度 的 石 墨 化。 选 用 镀 钛 金 刚 石 后，在 较 低 温 度 （１２００ ℃），金刚石表 面 上 会 形 成 ＴｉＣ 和 Ｔｉ３ＳｉＣ２；当 温 度 升 高 到 １３００ ℃ 时，金 刚 石 表 面 形 成 ＴｉＣ、Ｔｉ３ＳｉＣ２ 和 ＳｉＣ；温度升高到１４００ ℃时，金刚石表面镀覆了较厚的 ＳｉＣ 和 Ｔｉ３ＳｉＣ２涂层。 关 键 词 金 刚 石 ；镀 覆 ；碳 化 硅 中图分类号 ＴＱ１６４；ＴＧ１４６．６４２ 文献标志码 Ａ 文章编号 １００６－８５２Ｘ（２０１５）０６－００３７－０４ ＤＯＩ码 １０．１３３９４／ｊ．ｃｎｋｉ．ｊｇｓｚｚ．２０１５．６．０００８
通 过 以 上 研 究 可 知 ：通 过 对 硅 粉 和 金 刚 石 混 合 粉 末 在高温（１４００℃）下热处理会形成 ＳｉＣ，但是很难形成连 续 的 涂 层 。 同 时 ，金 刚 石 在 真 空 或 惰 性 气 体 保 护 下 的 石 墨化起始温度为１４００ ℃，图１ａ中也观察到石墨衍射峰 的存在，表明金刚石发生了石墨化。这两个因素对 ＳｉＣ 镀 覆 金 刚 石 的 使 用 性 能 是 不 利 的 。 因 此 ，从 金 刚 石 的 性 能以及 制 备 成 本 角 度 考 虑，热 处 理 的 温 度 不 宜 超 过 １４００ ℃。
３９
２．２ 硅 粉 与 镀 钛 金 刚 石 混 合 后 热 处 理 降低热处理温度会增加 Ｓｉ与 金 刚 石 反 应 的 难 度，
在低于 １４００ ℃ 时，Ｓｉ与 金 刚 石 基 本 上 不 发 生 固 相 反 应。考虑到 Ｔｉ–Ｓｉ在 １３３０ ℃会形成共晶液相（图３）， 这有助于促进 Ｓｉ和金刚石在较低温度发 生 反 应，而 且 Ｔｉ与金刚石 反 应 形 成 的 ＴｉＣ 也 是 一 种 性 能 接 近 ＳｉＣ 的陶瓷材料。因 此，我 们 拟 采 用 镀 钛 金 刚 石 替 代 普 通 金刚石，以促进金刚石表面镀覆 ＳｉＣ。
图４ 镀钛金刚石与硅的混合粉体在０～１４００ ℃的 ＤＳＣ–ＴＧ 曲线 Ｆｉｇ．４ ＤＳＣ－ＴＧ ｏｆ Ｔｉ ｃｏａｔｅｄ ｄｉａｍｏｎｄ ａｎｄ Ｓｉ ｍｉｘｅｄ ｐｏｗｄｅｒｓ
图５为镀钛金刚石与硅的混合粉体经不同温度热 处理后的 ＸＲＤ 图 谱。 从 图 ５ 可 知：金 刚 石 与 表 面 的 Ｔｉ在１２００ ℃ 时 形 成 了 ＴｉＣ，但 没 有 形 成 ＳｉＣ，同 时 还 形成了 Ｔｉ３ＳｉＣ２。经１３００ ℃ 处 理 的 样 品，形 成 了 ＳｉＣ，
（ａ）Ｓｉ粉末与未镀覆金刚石１４００ ℃热处理
（ｂ）Ｓｉ粉末与镀钛金刚石１４００ ℃热处理 图 ２ 金 刚 石 表 面 组 织 的 能 谱 数 据 Ｆｉｇ．２ ＥＤＳ ｏｆ ｔｈｄ
第６期
穆 云 超 ，等 ：金 刚 石 表 面 镀 覆 碳 化 硅 的 研 究
ｆｒｏｍ Ｓｉ ａｎｄ ｄｉａｍｏｎｄ ｍｉｘｅｄ ｐｏｗｄｅｒｓ
２ 结果与分析
２．１ 硅粉与未镀覆金刚石混合后热处理
图１为硅粉与金刚石颗粒的混合粉体经１４００ ℃热 处理１ｈ后得到的样品 ＸＲＤ 图谱（图１ａ）和 ＳＥＭ 照片 （图１ｂ）。金刚石表面组织的能谱数据见图 ２。如图 １ａ 所示：反应后生成了 ＳｉＣ，同时金刚石一定程度上发生了 石墨化 。 从图 １ｂ 可 见，金 刚 石 表 面 形 成 了 许 多 小 的 凸 起 组 织 ，通 过 能 谱（图２ａ）确 认 这 些 组 织 为 ＳｉＣ，但 并 没 有 在金刚石表面形成均匀的连续涂层。
这与我们以上的分析 相 吻 合，表 明 Ｔｉ–Ｓｉ共 晶 液 相 有 助于形成 ＳｉＣ。经１４００ ℃处理的样品，ＴｉＣ 衍射
图 ３ Ｔｉ–Ｓｉ二 元 系 相 图 Ｆｉｇ．３ Ｂｉｎａｒｙ ｐｈａｓｅ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ Ｔｉ ａｎｄ Ｓｉ
图４为镀钛金刚石与硅的混合粉体在０～１４００ ℃ 的 ＤＳＣ–ＴＧ 曲线。从图４的 ＴＧ 曲线可以观察到：试 样在整个温 度 范 围 内，质 量 没 有 发 生 明 显 的 失 重；从 ＤＳＣ 曲 线 可 以 观 察 到：在 １３００ ℃ 出 现 了 明 显 的 吸 热 峰，这与图３的结果 很 吻 合，即 在 约 １３３０ ℃ 左 右 形 成 了 Ｔｉ与 Ｓｉ共晶液相。
峰消失，ＳｉＣ峰有所增加，原因可能是 ＴｉＣ 与 Ｓｉ发生 了
如下化学反应：
ＴｉＣ＋Ｓｉ→ＳｉＣ＋Ｔｉ３ＳｉＣ２
（１）
当温度较低时，反应的动力学条件无法使 反应（１）
进行，当温度升高到１４００ ℃时，足以使反应（１）发生，因
此会形成 ＳｉＣ与 Ｔｉ３ＳｉＣ２，ＴｉＣ消失。
图６为硅粉和镀 Ｔｉ金刚石混合粉末经１２００ ℃（图
低热膨胀 系 数 和 低 密 度 等 优 点，是 理 想 的 电 子 封 装 材 料，因而近 年 来 受 到 广 泛 关 注 。 此 外，以 碳 化 硅 为 结 合 剂的金刚石复合材料，与钴、镍为黏结相的多晶金刚 石 相比，不仅具有更高的硬度，而且具有更高的温度稳 定 性［３–６］，因 此 作 为 结 构 材 料 也 具 有 很 多 优 势 。
２０１５年１２月 第６期 第 ３５ 卷 总 第 ２１０ 期
金刚石与磨料磨具工程 Ｄｉａｍｏｎｄ ＆ Ａｂｒａｓｉｖｅｓ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
Ｄｅｃ．２０１５ Ｎｏ．６ Ｖｏｌ．３５ Ｓｅｒｉａｌ ２１０
金刚石表面镀覆碳化硅的研究＊
穆 云 超 ，梁 宝 岩 ，孙 礼 武 ，成 晓 哲 ，刘 涛 ，张 旺 玺
图 ５ 镀 钛 金 刚 石 与 硅 的 混 合 粉 体 在 不 同 温 度 热 处 理
的 ＸＲＤ 图谱
Ｆｉｇ．５ ＸＲＤ ｏｆ ｔｈｅ ｓａｍｐｌｅｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｂｙ ｈｅａｔ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｆｒｏｍ
Ｓｉ ａｎｄ Ｔｉ ｃｏａｔｅｄ Ｄｉａｍｏｎｄ ａｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ
用 Ｒｉｇａｋｕ Ｕｌｔｉｍａ ＩＶ 转靶 Ｘ 射线多晶衍射仪对样 品进行物相分析（采用 Ｃｕｋα 辐射）；用扫描电子显微镜 结合能谱仪研究和分析材料的显微结构和微区成分。
（ｂ）微 观 形 貌 图１ 硅粉和金刚石混合粉体１４００ ℃处理的 ＸＲＤ 图谱 和 ＳＥＭ 照片 Ｆｉｇ．１ ＸＲＤ ａｎｄ ＳＥＭ ｏｆ ｔｈｅ ｓａｍｐｌｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ ａｔ １４００ ℃
６ａ）、１３００ ℃（图６ｂ）和１４００ ℃（图６ｃ）热处理后的微观
Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ４５０００７，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ ＳｉＣ ｇｒａｉｎｓ ｗｅｒｅ ｃｏａｔｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｏｆ ｄｉａｍｏｎｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｈｉｇｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｔｈｅｒｍａｌ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ ｆｒｏｍ Ｓｉ ａｎｄ ｄｉａｍｏｎｄ ｍｉｘｅｄ ｐｏｗｄｅｒｓ．Ｔｈｅ ｐｈａｓｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｏｄｕｃｔｓ ｗｅｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ ｂｙ ＸＲＤ，ＳＥＭ ａｎｄ ＥＤＳ．Ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ Ｔｉ ｃｏａｔｅｄ ｄｉａｍｏｎｄ ｏｎ ｔｈｅ ＳｉＣ ｃｏａｔｉｎｇ ｓｔａｔｕｓ ｏｆ ｄｉａｍｏｎｄ ｗａｓ ａｌｓｏ ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ＳｉＣ ｗｅｒｅ ｆｏｒｍｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｏｆ ｄｉａｍｏｎｄ ａｆｔｅｒ ｈｅａｔ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ａｔ １４００ ℃ｆｒｏｍ Ｓｉ ａｎｄ ｄｉａｍｏｎｄ ｍｉｘｅｄ ｐｏｗｄｅｒｓ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｃｏａｔｉｎｇ ｗｅｒｅ ｎｏｔ ｏｂｔａｉｎｅｄ，ａｎｄ ｄｉａｍｏｎｄ ｈａｄ ｃｅｒｔａｉｎ ｇｒａｐｈｉｔｉｚａｔｉｏｎ．Ａｆｔｅｒ Ｔｉ ｃｏａｔｅｄ ｄｉａｍｏｎｄ ｗａｓ ｕｓｅｄ，ＴｉＣ ａｎｄ Ｔｉ３ ＳｉＣ２ｇｒａｉｎｓ ｗｅｒｅ ｆｏｒｍｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｄｉａｍｏｎｄ ａｔ １２００ ℃．Ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｒｅａｃｈｅｄ １３００ ℃，ＴｉＣ，Ｔｉ３ ＳｉＣ２ａｎｄ ＳｉＣ ｗｅｒｅ ｆｏｒｍｅｄ．Ａｔ １４００ ℃，Ｔｉ３ＳｉＣ２ａｎｄ ＳｉＣ ｃｏａｔｉｎｇ ｗｅｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｄｉａｍｏｎｄ；ｃｏａｔｉｎｇ；ＳｉＣ
１ 条 件 与 过 程
（ａ）ＸＲＤ 图谱
本系列实验材料选用 Ｓｉ粉末（粒径 １μｍ，纯度为 ９９ ％）、未镀覆和 镀 钛 两 种 金 刚 石（８０／１００，粒 径 １５０～ １８０μｍ）。Ｓｉ粉和金刚石按质量比１∶１进行混合，在研 钵中 充分 研磨 １ｈ，使 原 料 均 匀 ，然 后 转 入 刚 玉 坩 埚 中 ， 并将坩埚放 置 在 刚 玉 管 式 炉 体 的 中 央 位 置，于 １２００～ １４００ ℃氩气保护下进行固相烧结，保温１ｈ。待随炉冷 却后，筛 出 金 刚 石，用 超 声 波 清 洗，除 去 表 面 机 械 黏 附物。
Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｃｏａｔｉｎｇ ｏｆ ＳｉＣ ｏｎ ｄｉａｍｏｎｄ ｓｕｒｆａｃｅ
ＭＵ Ｙｕｎｃｈａｏ，ＬＩＡＮＧ Ｂａｏｙａｎ，ＳＵＮ Ｌｉｗｕ，ＣＨＥＮＧ Ｘｉａｏｚｈｅ，ＬＩＵ Ｔａｏ，ＺＨＡＮＧ Ｗａｎｇｘｉ （Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ＆ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｓｃｈｏｏｌ，Ｚｈｏｎｇｙｕａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，
３８
金刚石与磨料磨具工程
总 第 ２１０ 期
烧结［９］、微波 烧 结［１０］和 真 空 气 相 反 应 浸 渗［１１］。 金 刚 石–碳 化 硅 复 合 材 料 主 要 是 通 过 Ｓｉ粉 和 金 刚 石 化 学 反 应 而制备的，Ｓｉ与金刚石之间的化学结合 对 复 合 材 料 的 使用性能影响很大，因此有必要研究Ｓｉ与金刚石的化学 结 合 状 态 ，这 样 不 仅 可 为 该 复 合 材 料 的 工 程 应 用 提 供 重 要 的 基 础 数 据 ，而 且 有 助 于 了 解 复 合 材 料 的 微 观 结 构 与 其宏观力学性质之间的关系。
随 着 电 子 技 术 的 不 断 发 展 ，电 子 元 器 件 集 成 化 程 度 越 来 越 高 ，相 应 的 发 热 量 也 越 来 越 大 。 微 处 理 器 及 功 率 半 导 体 器 件 在 应 用 过 程 中 ，常 常 因 为 温 度 过 高 而 无 法 正 常工作。解决电器件散热问题最有效的方法是采用热 膨胀系 数 小、导 热 性 好 和 密 度 低 的 新 型 电 子 封 装 材 料［１–２］。金刚石–碳 化 硅 复 合 材 料 是 一 种 重 要 的 复 合 材 料 ，相 比 金 属 结 合 剂 金 刚 石 复 合 材 料 ，它 具 有 高 热 导 率 、
金刚石–碳 化 硅 复 合 材 料 可 通 过 许 多 工 艺 制 备 ，比 如 高 温 高 压 反 应 烧 结［７］、熔 融 硅 压 力 渗 透［８］、热 等 静 压
＊ 基金项 目： 河 南 省 科 技 开 放 合 作 项 目 （１４２１０６００００５１）；河 南 省 高 校 科 技 创 新 团 队 项 目 （１５ＩＲＴＳＴＨＮ００４）；郑 州 市 人 才 引 育 项 目 （１４１ＰＲＣＹＹ５１４）。
（中原工学院 材料与化工学院，郑州 ４５０００７）
摘要 采用硅粉与金刚石颗粒混合粉体为原料，通过高温热处理在金刚石表面镀覆 ＳｉＣ 晶 体，用 ＸＲＤ、 ＳＥＭ 和 ＥＤＳ分析产物的物相组成与显微形貌，同时研究金刚石镀钛对金刚石表面涂覆 ＳｉＣ 状态的影响。 研究结果表明：采用硅粉和金刚石混合粉体为原料，高温 １４００ ℃处理后，在金刚石表面上形成 了 ＳｉＣ，但 并没有形成连 续 的 涂 层，同 时 金 刚 石 发 生 一 定 程 度 的 石 墨 化。 选 用 镀 钛 金 刚 石 后，在 较 低 温 度 （１２００ ℃），金刚石表 面 上 会 形 成 ＴｉＣ 和 Ｔｉ３ＳｉＣ２；当 温 度 升 高 到 １３００ ℃ 时，金 刚 石 表 面 形 成 ＴｉＣ、Ｔｉ３ＳｉＣ２ 和 ＳｉＣ；温度升高到１４００ ℃时，金刚石表面镀覆了较厚的 ＳｉＣ 和 Ｔｉ３ＳｉＣ２涂层。 关 键 词 金 刚 石 ；镀 覆 ；碳 化 硅 中图分类号 ＴＱ１６４；ＴＧ１４６．６４２ 文献标志码 Ａ 文章编号 １００６－８５２Ｘ（２０１５）０６－００３７－０４ ＤＯＩ码 １０．１３３９４／ｊ．ｃｎｋｉ．ｊｇｓｚｚ．２０１５．６．０００８
通 过 以 上 研 究 可 知 ：通 过 对 硅 粉 和 金 刚 石 混 合 粉 末 在高温（１４００℃）下热处理会形成 ＳｉＣ，但是很难形成连 续 的 涂 层 。 同 时 ，金 刚 石 在 真 空 或 惰 性 气 体 保 护 下 的 石 墨化起始温度为１４００ ℃，图１ａ中也观察到石墨衍射峰 的存在，表明金刚石发生了石墨化。这两个因素对 ＳｉＣ 镀 覆 金 刚 石 的 使 用 性 能 是 不 利 的 。 因 此 ，从 金 刚 石 的 性 能以及 制 备 成 本 角 度 考 虑，热 处 理 的 温 度 不 宜 超 过 １４００ ℃。
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２．２ 硅 粉 与 镀 钛 金 刚 石 混 合 后 热 处 理 降低热处理温度会增加 Ｓｉ与 金 刚 石 反 应 的 难 度，
在低于 １４００ ℃ 时，Ｓｉ与 金 刚 石 基 本 上 不 发 生 固 相 反 应。考虑到 Ｔｉ–Ｓｉ在 １３３０ ℃会形成共晶液相（图３）， 这有助于促进 Ｓｉ和金刚石在较低温度发 生 反 应，而 且 Ｔｉ与金刚石 反 应 形 成 的 ＴｉＣ 也 是 一 种 性 能 接 近 ＳｉＣ 的陶瓷材料。因 此，我 们 拟 采 用 镀 钛 金 刚 石 替 代 普 通 金刚石，以促进金刚石表面镀覆 ＳｉＣ。
图４ 镀钛金刚石与硅的混合粉体在０～１４００ ℃的 ＤＳＣ–ＴＧ 曲线 Ｆｉｇ．４ ＤＳＣ－ＴＧ ｏｆ Ｔｉ ｃｏａｔｅｄ ｄｉａｍｏｎｄ ａｎｄ Ｓｉ ｍｉｘｅｄ ｐｏｗｄｅｒｓ
图５为镀钛金刚石与硅的混合粉体经不同温度热 处理后的 ＸＲＤ 图 谱。 从 图 ５ 可 知：金 刚 石 与 表 面 的 Ｔｉ在１２００ ℃ 时 形 成 了 ＴｉＣ，但 没 有 形 成 ＳｉＣ，同 时 还 形成了 Ｔｉ３ＳｉＣ２。经１３００ ℃ 处 理 的 样 品，形 成 了 ＳｉＣ，
（ａ）Ｓｉ粉末与未镀覆金刚石１４００ ℃热处理
（ｂ）Ｓｉ粉末与镀钛金刚石１４００ ℃热处理 图 ２ 金 刚 石 表 面 组 织 的 能 谱 数 据 Ｆｉｇ．２ ＥＤＳ ｏｆ ｔｈｄ
第６期
穆 云 超 ，等 ：金 刚 石 表 面 镀 覆 碳 化 硅 的 研 究
ｆｒｏｍ Ｓｉ ａｎｄ ｄｉａｍｏｎｄ ｍｉｘｅｄ ｐｏｗｄｅｒｓ
２ 结果与分析
２．１ 硅粉与未镀覆金刚石混合后热处理
图１为硅粉与金刚石颗粒的混合粉体经１４００ ℃热 处理１ｈ后得到的样品 ＸＲＤ 图谱（图１ａ）和 ＳＥＭ 照片 （图１ｂ）。金刚石表面组织的能谱数据见图 ２。如图 １ａ 所示：反应后生成了 ＳｉＣ，同时金刚石一定程度上发生了 石墨化 。 从图 １ｂ 可 见，金 刚 石 表 面 形 成 了 许 多 小 的 凸 起 组 织 ，通 过 能 谱（图２ａ）确 认 这 些 组 织 为 ＳｉＣ，但 并 没 有 在金刚石表面形成均匀的连续涂层。
这与我们以上的分析 相 吻 合，表 明 Ｔｉ–Ｓｉ共 晶 液 相 有 助于形成 ＳｉＣ。经１４００ ℃处理的样品，ＴｉＣ 衍射
图 ３ Ｔｉ–Ｓｉ二 元 系 相 图 Ｆｉｇ．３ Ｂｉｎａｒｙ ｐｈａｓｅ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ Ｔｉ ａｎｄ Ｓｉ
图４为镀钛金刚石与硅的混合粉体在０～１４００ ℃ 的 ＤＳＣ–ＴＧ 曲线。从图４的 ＴＧ 曲线可以观察到：试 样在整个温 度 范 围 内，质 量 没 有 发 生 明 显 的 失 重；从 ＤＳＣ 曲 线 可 以 观 察 到：在 １３００ ℃ 出 现 了 明 显 的 吸 热 峰，这与图３的结果 很 吻 合，即 在 约 １３３０ ℃ 左 右 形 成 了 Ｔｉ与 Ｓｉ共晶液相。
峰消失，ＳｉＣ峰有所增加，原因可能是 ＴｉＣ 与 Ｓｉ发生 了
如下化学反应：
ＴｉＣ＋Ｓｉ→ＳｉＣ＋Ｔｉ３ＳｉＣ２
（１）
当温度较低时，反应的动力学条件无法使 反应（１）
进行，当温度升高到１４００ ℃时，足以使反应（１）发生，因
此会形成 ＳｉＣ与 Ｔｉ３ＳｉＣ２，ＴｉＣ消失。
图６为硅粉和镀 Ｔｉ金刚石混合粉末经１２００ ℃（图
低热膨胀 系 数 和 低 密 度 等 优 点，是 理 想 的 电 子 封 装 材 料，因而近 年 来 受 到 广 泛 关 注 。 此 外，以 碳 化 硅 为 结 合 剂的金刚石复合材料，与钴、镍为黏结相的多晶金刚 石 相比，不仅具有更高的硬度，而且具有更高的温度稳 定 性［３–６］，因 此 作 为 结 构 材 料 也 具 有 很 多 优 势 。
２０１５年１２月 第６期 第 ３５ 卷 总 第 ２１０ 期
金刚石与磨料磨具工程 Ｄｉａｍｏｎｄ ＆ Ａｂｒａｓｉｖｅｓ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
Ｄｅｃ．２０１５ Ｎｏ．６ Ｖｏｌ．３５ Ｓｅｒｉａｌ ２１０
金刚石表面镀覆碳化硅的研究＊
穆 云 超 ，梁 宝 岩 ，孙 礼 武 ，成 晓 哲 ，刘 涛 ，张 旺 玺
图 ５ 镀 钛 金 刚 石 与 硅 的 混 合 粉 体 在 不 同 温 度 热 处 理
的 ＸＲＤ 图谱
Ｆｉｇ．５ ＸＲＤ ｏｆ ｔｈｅ ｓａｍｐｌｅｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｂｙ ｈｅａｔ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｆｒｏｍ
Ｓｉ ａｎｄ Ｔｉ ｃｏａｔｅｄ Ｄｉａｍｏｎｄ ａｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ
用 Ｒｉｇａｋｕ Ｕｌｔｉｍａ ＩＶ 转靶 Ｘ 射线多晶衍射仪对样 品进行物相分析（采用 Ｃｕｋα 辐射）；用扫描电子显微镜 结合能谱仪研究和分析材料的显微结构和微区成分。
（ｂ）微 观 形 貌 图１ 硅粉和金刚石混合粉体１４００ ℃处理的 ＸＲＤ 图谱 和 ＳＥＭ 照片 Ｆｉｇ．１ ＸＲＤ ａｎｄ ＳＥＭ ｏｆ ｔｈｅ ｓａｍｐｌｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ ａｔ １４００ ℃
６ａ）、１３００ ℃（图６ｂ）和１４００ ℃（图６ｃ）热处理后的微观
Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ４５０００７，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ ＳｉＣ ｇｒａｉｎｓ ｗｅｒｅ ｃｏａｔｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｏｆ ｄｉａｍｏｎｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｈｉｇｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｔｈｅｒｍａｌ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ ｆｒｏｍ Ｓｉ ａｎｄ ｄｉａｍｏｎｄ ｍｉｘｅｄ ｐｏｗｄｅｒｓ．Ｔｈｅ ｐｈａｓｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｏｄｕｃｔｓ ｗｅｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ ｂｙ ＸＲＤ，ＳＥＭ ａｎｄ ＥＤＳ．Ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ Ｔｉ ｃｏａｔｅｄ ｄｉａｍｏｎｄ ｏｎ ｔｈｅ ＳｉＣ ｃｏａｔｉｎｇ ｓｔａｔｕｓ ｏｆ ｄｉａｍｏｎｄ ｗａｓ ａｌｓｏ ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ＳｉＣ ｗｅｒｅ ｆｏｒｍｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｏｆ ｄｉａｍｏｎｄ ａｆｔｅｒ ｈｅａｔ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ａｔ １４００ ℃ｆｒｏｍ Ｓｉ ａｎｄ ｄｉａｍｏｎｄ ｍｉｘｅｄ ｐｏｗｄｅｒｓ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｃｏａｔｉｎｇ ｗｅｒｅ ｎｏｔ ｏｂｔａｉｎｅｄ，ａｎｄ ｄｉａｍｏｎｄ ｈａｄ ｃｅｒｔａｉｎ ｇｒａｐｈｉｔｉｚａｔｉｏｎ．Ａｆｔｅｒ Ｔｉ ｃｏａｔｅｄ ｄｉａｍｏｎｄ ｗａｓ ｕｓｅｄ，ＴｉＣ ａｎｄ Ｔｉ３ ＳｉＣ２ｇｒａｉｎｓ ｗｅｒｅ ｆｏｒｍｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｄｉａｍｏｎｄ ａｔ １２００ ℃．Ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｒｅａｃｈｅｄ １３００ ℃，ＴｉＣ，Ｔｉ３ ＳｉＣ２ａｎｄ ＳｉＣ ｗｅｒｅ ｆｏｒｍｅｄ．Ａｔ １４００ ℃，Ｔｉ３ＳｉＣ２ａｎｄ ＳｉＣ ｃｏａｔｉｎｇ ｗｅｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｄｉａｍｏｎｄ；ｃｏａｔｉｎｇ；ＳｉＣ