專利名稱：高溫高壓法改善金剛石膜綜合性能的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種采用高溫高壓法改善金剛石膜綜合性能的方法。
背景技術(shù)：
化學(xué)氣相沉積(Chemical Vapor Deposition，簡稱CVD)金剛石膜，克服了高溫高壓法制備的顆粒狀和爆炸法制備的納米粉狀金剛石形態(tài)限制，使得金剛石特別優(yōu)異的機(jī)械性能、透光性能、導(dǎo)熱性能、傳聲性能及半導(dǎo)體性能得以可能充分發(fā)揮出來，因此CVD金剛石研究受到美、日、歐等發(fā)達(dá)國家高度重視，投入大量人力和財(cái)力進(jìn)行研究開發(fā)。目前，美國等國家制備的光學(xué)級自支撐CVD金剛石膜幾乎所有的物理化學(xué)性能都可和最高質(zhì)量的天然IIa型寶石級金剛石單晶相媲美，唯機(jī)械性能(斷裂強(qiáng)度)尚有很大差距。已有研究結(jié)果表明，自支撐CVD金剛石膜斷裂強(qiáng)度一般僅為200～400MPa，而寶石級天然IIa型金剛石單晶的斷裂強(qiáng)度可達(dá)3GPa。自支撐CVD金剛石膜斷裂強(qiáng)度遠(yuǎn)小于天然金剛石的主要原因在于金剛石膜是多晶脆性材料，膜中存在大量彈性模量和斷裂表面能均低于純金剛石的幾個原子層厚的晶界，晶界處存在非晶碳和大量的N、H等雜質(zhì)，晶界處空洞和間隙的缺陷尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于晶體內(nèi)的缺陷尺寸。
自支撐CVD金剛石膜生長及后續(xù)加工成本相對較高，因此，如何減少膜中結(jié)構(gòu)缺陷從而提高其斷裂強(qiáng)度對于CVD金剛石膜的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用就顯得極為重要。目前，國內(nèi)外克服這種結(jié)構(gòu)缺陷的方法主要有(1)提高設(shè)備穩(wěn)定性及優(yōu)化制備工藝參數(shù)，減少CVD金剛石膜中的各種結(jié)構(gòu)缺陷，如表面缺陷、晶內(nèi)缺陷和晶界缺陷，以及因內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生的CVD金剛石宏觀和微觀裂紋。但化學(xué)氣相沉積過程本身就難以制備高質(zhì)量的CVD金剛石膜，主要有以下原因一是沉積過程中可改變的工藝參數(shù)多且準(zhǔn)確控制困難，即使工藝參數(shù)能得到穩(wěn)定控制，沉積CVD金剛石膜的微觀環(huán)境也難以一致。二是工藝參數(shù)對CVD金剛石沉積過程的影響是相互制約的，從而影響了高質(zhì)量CVD金剛石膜的制備；(2)利用外延生長大單晶金剛石膜，尤其是異質(zhì)外延生長單晶金剛石膜，但技術(shù)發(fā)展至今只能進(jìn)行小面積同質(zhì)外延及異質(zhì)襯底上織構(gòu)生長，而大面積異質(zhì)外延單晶金剛石膜生長技術(shù)在近期內(nèi)難有大的突破。(3)制備平均晶粒尺寸在200nm以下韌性高的納米晶金剛石膜(nanocrystalline diamond，簡稱NCD)。自1994年美國Gruen首次報(bào)道使用微波等離子體工藝在Ar氣氛中引入少量C60制備納米晶金剛石膜以來，納米晶金剛石膜已經(jīng)成為金剛石膜研究領(lǐng)域的一個新熱點(diǎn)。表面光滑的納米晶金剛石膜無需后續(xù)加工可直接使用，但由于制備的厚度較薄(1～2μm)，目前研究主要集中在光學(xué)薄膜、冷陰極器件、醫(yī)學(xué)薄膜上，還不能制備出自支撐納米金剛石膜。
中國專利CN1431929A、CN1238103C提供了用高溫高壓法為單晶褐黃色鉆石中的晶格缺陷提供了足夠的均向壓力和勢能，使得晶體內(nèi)部的位錯等晶格缺陷發(fā)生攀移、重組、湮滅、增殖和滑移，從而改變顆粒狀單晶鉆石顏色的方法。但是對用高溫高壓法能否減少多晶體金剛石膜的晶界處的非晶碳、大量的N、H等雜質(zhì)、空洞和間隙以及單個晶粒內(nèi)部的晶格缺陷和雜質(zhì)，從而提高金剛石膜的斷裂強(qiáng)度和純度，改善金剛石膜綜合性能的方法沒有涉及。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種采用高溫高壓法處理金剛石膜的方法，以減少金剛石膜缺陷，提高其斷裂強(qiáng)度和純度，改善其綜合性能。
一種高溫高壓法改善金剛石膜綜合性能的方法，其特征在于包括以下步驟(1)、用觸媒粉、溶劑金屬粉、石墨粉、傳壓材料粉配置混合粉體，混合粉體中石墨含量為0～20wt％；(2)、將切割好的金剛石膜坯料放入到配置好的混合粉體中，并用壓力把含有金剛石膜坯料的混合粉體壓制成致密的合成塊；(3)、對合成塊預(yù)熱烘烤；(4)、將經(jīng)過預(yù)熱烘烤的合成塊加持高溫和高壓處理，溫度為1300℃～2000℃，壓力為5GPa～10GPa。。
其中，所述合成塊預(yù)熱烘烤，其預(yù)熱烘烤溫度為100℃～400℃，烘烤時間為10～30小時。
上述過程中，傳壓材料以粉狀摻入在制備合成塊的混合粉體中。也可以在混合粉體中不加入傳壓材料，而是將傳壓材料做成模套裝進(jìn)合成塊，成為組裝合成塊。主要包括以下步驟(1)、用觸媒粉、溶劑金屬粉、石墨粉配置混合粉體，混合粉體中石墨含量為0～20wt％；(2)、用傳壓材料制作傳壓模套；(3)將金剛石膜坯料混在一定的混合粉末中壓制成合成塊；(4)、對合成塊預(yù)熱烘烤；(5)、將經(jīng)過預(yù)熱烘烤的合成塊放入傳壓模套中組裝成復(fù)合合成塊，然后加持高溫和高壓處理，溫度為1300℃～2000℃，壓力為5GPa～10GPa。其中，預(yù)熱烘烤溫度為100℃～400℃，烘烤時間為10～30小時。
本發(fā)明的優(yōu)越性在于采用高溫高壓法處理自支撐CVD金剛石膜以減少或消除晶界處氮、氧、氫等元素雜質(zhì)和晶界處非金剛石碳含量，顯著提高金剛石膜純度；采用高溫高壓法處理自支撐金剛石膜以減少或消除金剛石膜結(jié)構(gòu)缺陷，包括位錯、層錯等微觀缺陷，生長應(yīng)力和內(nèi)部微裂紋，從而提高其斷裂強(qiáng)度，顯著改善其綜合性能，從而根本解決金剛石膜在機(jī)械、光學(xué)及熱學(xué)等領(lǐng)域中的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用問題。
四

圖1是高溫高壓法處理CVD金剛石示意圖。
圖1中標(biāo)號名稱1.導(dǎo)電鋼碗 2.葉蠟石 3.CVD金剛石坯料 4.石墨、觸媒和金屬溶劑混合粉末。
五具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的主要步驟為用熱絲法、微波法和直流電弧等離子體噴射法等方法制備較高質(zhì)量的自支撐CVD金剛石膜→激光切割金剛石膜成所需的形狀和大小坯料→用觸媒粉、溶劑金屬粉、石墨粉、傳壓材料配置混合粉體，混合粉體中石墨含量低于20wt％，也可以不含石墨；→將切割后的CVD金剛石膜坯料放入到混合粉體中，用足夠壓力把混合粉體壓實(shí)制成致密基本無夾雜氣體的合成塊→把合成塊放在烘箱里預(yù)熱，其烘烤溫度為100℃～400℃，烘烤時間為10～30小時→將預(yù)熱后的合成塊放入高溫高壓爐中，按工藝要求加持高溫和高壓，溫度為1300℃～2000℃，壓力為5GPa～10GPa。?！〕鼋饎偸づ髁喜⑦M(jìn)行酸堿洗等處理，以去除表面雜質(zhì)，得到保持了原形狀和大小的綜合性能顯著提高了的金剛石膜坯料。
上述過程中，傳壓材料以粉狀摻入在制備合成塊的混合粉體中。也可以在混合粉體中不加入傳壓材料，而是將傳壓材料做成模套裝進(jìn)合成塊，步驟略有不同用觸媒粉、溶劑金屬粉、石墨粉粉配置混合粉體，混合粉體中石墨含量為0～20wt％；用傳壓材料制作傳壓模套；將金剛石膜坯料混在一定的混合粉末中壓制成合成塊；對合成塊預(yù)熱烘烤；將經(jīng)過預(yù)熱烘烤的合成塊放入傳壓模套中組裝成復(fù)合合成塊，然后加持高溫和高壓處理，溫度為1300℃～2000℃，壓力為5GPa～10GPa。其中，預(yù)熱烘烤溫度為100℃～400℃，烘烤時間為10～30小時。
本發(fā)明的高溫高壓法改善金剛石膜綜合性能的方法，主要用于各種物理氣相沉積或化學(xué)氣相沉積或其他方法形成的金剛石薄膜和金剛石厚膜，優(yōu)選指各種化學(xué)氣相沉積方法生長的金剛石膜。
實(shí)施例1用熱絲法制備出較高質(zhì)量的厚度為1mm的自支撐CVD金剛石厚膜，激光切割金剛石膜成4×4×1mm3拉絲模模芯坯料或適當(dāng)大小的焊接式厚膜刀具刀坯；試驗(yàn)是在6×800kN鉸鏈?zhǔn)搅骓攭簷C(jī)上進(jìn)行的，試驗(yàn)所用的傳壓介質(zhì)為粉末葉蠟石，觸媒為Ni70Mn25Co5合金粉，合成腔體直徑為20mm，合成溫度和壓力分別為1350℃和5.7Gpa；把石墨粉、金剛石膜坯料、觸媒粉、葉蠟石、導(dǎo)電鋼碗等組裝成合成塊，把合成塊放入烘箱內(nèi)，在200℃的溫度下預(yù)熱15小時，取出后放入鉸鏈?zhǔn)搅骓攭簷C(jī)內(nèi)，經(jīng)高溫高壓處理得到含有金剛石膜拉絲模模芯坯料或焊接式厚膜刀具刀坯的合成棒；取出合成棒并進(jìn)行酸堿洗等處理，以去除金剛石膜坯料表面雜質(zhì)，得到保持原形狀和大小的機(jī)械性能顯著提高了的金剛石拉絲模模芯坯料或焊接式厚膜刀具刀坯。
實(shí)施例2用直流等離子體噴射法制備出高質(zhì)量的直徑60mm厚度為0.5mm的自支撐CVD金剛石厚膜，激光切割金剛石膜成15×15×0.5mm3熱沉片坯料或直徑30mm厚度0.5mm的光學(xué)窗口坯料；試驗(yàn)是在兩面頂壓機(jī)上進(jìn)行的，試驗(yàn)所用的傳壓介質(zhì)為粉末葉蠟石，觸媒為Fe70Ni30合金粉，合成腔體直徑為40mm，合成溫度和壓力分別為1350℃和5.7Gpa；把石墨粉、金剛石膜坯料、觸媒粉、葉蠟石粉、導(dǎo)電鋼碗等組裝成合成塊，把合成塊放入烘箱內(nèi)，在240℃的溫度下預(yù)熱20小時，取出后放入兩面頂壓機(jī)內(nèi)，經(jīng)超高溫高壓得到含有金剛石膜熱沉片坯料或光學(xué)窗口坯料的合成棒；取出合成棒并進(jìn)行酸堿洗等處理，以去除金剛石坯料表面雜質(zhì)，得到保持原形狀和大小的綜合性能顯著提高了的金剛石熱沉片坯料或光學(xué)窗口坯料。
權(quán)利要求
1.一種高溫高壓法改善金剛石膜綜合性能的方法，其特征在于包括以下步驟(1)、用觸媒粉、溶劑金屬粉、石墨粉、傳壓材料粉配置混合粉體，混合粉體中石墨含量為0～20wt％；(2)、將切割好的金剛石膜坯料放入到配置好的混合粉體中，并用壓力把含有金剛石膜坯料的混合粉體壓制成致密的合成塊；(3)、對合成塊預(yù)熱烘烤；(4)、將經(jīng)過預(yù)熱烘烤的合成塊加持高溫和高壓處理，溫度為1300℃～2000℃，壓力為5GPa～10GPa。。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高溫高壓法改善金剛石膜綜合性能的方法，其特征在于所述合成塊預(yù)熱烘烤，其預(yù)熱烘烤溫度為100℃～400℃，烘烤時間為10～30小時。
3.一種高溫高壓法改善金剛石膜綜合性能的方法，其特征在于包括以下步驟(1)、用觸媒粉、溶劑金屬粉、石墨粉配置混合粉體，混合粉體中石墨含量為0～20wt％；(2)、用傳壓材料制作傳壓模套；(3)將金剛石膜坯料混在一定的混合粉末中壓制成合成塊；(4)、對合成塊預(yù)熱烘烤；(5)、將經(jīng)過預(yù)熱烘烤的合成塊放入傳壓模套中組裝成復(fù)合合成塊，然后加持高溫和高壓處理，溫度為1300℃～2000℃，壓力為5GPa～10GPa。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高溫高壓法改善金剛石膜綜合性能的方法，其特征在于所述合成塊預(yù)熱烘烤，其預(yù)熱烘烤溫度為100℃～400℃，烘烤時間為10～30小時。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種采用高溫高壓法改善金剛石膜綜合性能的方法。主要步驟為用觸媒粉、溶劑金屬粉、石墨粉、傳壓材料粉配置混合粉體；將金剛石膜坯料放入混合粉體中，壓制成致密的合成塊；將合成塊烘烤預(yù)熱；再將合成塊加持高溫和高壓處理，溫度為1300℃～2000℃，壓力為5GPa～10GPa。另外，傳壓材料也可以不摻入在混合粉體中，而是將傳壓材料做成模套裝進(jìn)合成塊，成為組裝合成塊。本發(fā)明的優(yōu)越性在于減少或消除了金剛石膜晶界處氮、氧、氫等元素雜質(zhì)和晶界處非金剛石碳含量，顯著提高其純度；減少或消除了金剛石膜結(jié)構(gòu)缺陷，包括位錯、層錯等微觀缺陷，生長應(yīng)力和內(nèi)部微裂紋，從而提高其斷裂強(qiáng)度，顯著改善其綜合性能。
文檔編號B01J3/06GK101054661SQ200610039409
公開日2007年10月17日 申請日期2006年4月10日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月10日
發(fā)明者相炳坤, 黎向鋒, 左敦穩(wěn), 徐鋒, 盧文壯 申請人:南京航空航天大學(xué)