本發(fā)明屬于鍍膜技術(shù)領(lǐng)域,特別涉及粉體表面預(yù)處理和粉體表面CVD法鍍鎢的方法,可用于金剛石磨料工具和電子封裝材料的前期處理。
技術(shù)背景
金剛石具有極高的硬度、良好的耐蝕耐磨性能和低的熱膨脹系數(shù),在機械、鉆探領(lǐng)域有很大的應(yīng)用潛能,而且金剛石無與倫比的熱導(dǎo)性能(室溫下為2000W·m-1,約為常用的優(yōu)良導(dǎo)熱體銅的5倍)和銅在工業(yè)的經(jīng)濟意義促使金剛石/銅復(fù)合材料成為第三代高性能電子封裝材料的研究重點。目前金剛石產(chǎn)品主要是通過與金屬粉末燒結(jié)而制成的。由于金剛石為共價結(jié)合的晶體,表面能較高,與基體金屬的潤濕性比較差,在工作中容易脫落。因此,如何使金剛石與基體間形成牢固的結(jié)合是一個關(guān)鍵的技術(shù)難題。金剛石表面金屬化可以解決金剛石表面潤濕性差的問題。目前金剛石金屬化的方法有化學氣相沉積鍍、化學鍍和電鍍、鹽浴鍍、擴散鍍、磁控濺射鍍等,而電鍍或化學鍍等方法操作技術(shù)性比較高,要精確控制溶液配比,且會引入其它雜質(zhì),而磁控濺射鍍、雙陰極等離子鍍每次鍍覆的粉體的數(shù)量有限。
采用化學氣相沉積方法制備表面鍍層,沉積速度快,效率高,可以在粉體上沉積幾百納米到幾毫米厚的涂層。沉積過程中,繞度性好,可以沉積出組織均勻致密的鍍層。鎢是難熔金屬中熔點最高的金屬,具有高硬度、極佳的化學穩(wěn)定性,并且是典型的碳化物形成元素。通過化學氣相沉積在金剛石粉體表面鍍覆鎢層,可提高金剛石與其它金屬的結(jié)合強度,使金剛石工具的性能更穩(wěn)定,并且使金剛石/銅復(fù)合材料作為電子封裝材料的性能得到提高。
技術(shù)實現(xiàn)要素:
本發(fā)明是針對現(xiàn)有粉體表面鍍鎢成本高、鍍層厚度均勻性差、與金剛石顆?;w界面結(jié)合效果不好而提出的一種金剛石粉體表面鍍鎢的方法,其具有簡單高效、鍍層致密均勻、膜層成分結(jié)構(gòu)單一、膜層與基體結(jié)合牢固等特點。
本發(fā)明的技術(shù)方案是:
一種金剛石粉體表面鍍鎢的方法,采用的是化學氣相沉積法,化學氣相沉積前對金剛石粉體進行預(yù)處理,具體工藝過程依次為:丙酮超聲清洗除有機物→在NaOH溶液中超聲清洗除油(如在10g/L的NaOH溶液中超聲清洗除油)→在HNO3中超聲清洗粗化(如在質(zhì)量百分含量10%的HNO3中超聲清洗粗化)→烘干,每一步之后,都用去離子水沖洗至中性,烘干;
將烘干的金剛石顆粒均勻的平鋪于加熱平臺上,然后將平臺固定于加熱爐中,在通氫氣氣氛下將溫度加熱到550℃~700℃后保溫10~60min,然后再通入WF6,反應(yīng)沉積一段時間,沉積過程中保持平臺震動,然后關(guān)閉WF6,再保溫10~60min,然后自然冷卻至室溫,最后關(guān)閉H2通入。
通入反應(yīng)氣體配比為H2:WF6=1L:1~3g。
反應(yīng)時間可根據(jù)需要層厚調(diào)節(jié)。
在沉積550℃~700℃溫度范圍,利用六氟化鎢和氫氣之間的還原反應(yīng)(H2+WF6→W+HF),還原生成鎢原子在金剛石粉體表面形成鎢鍍層。
本發(fā)明采用的設(shè)備:加熱平臺為T型平臺,加熱爐上端側(cè)面設(shè)有氣體進口,下端側(cè)面設(shè)有氣體出口,加熱爐下端內(nèi)底面還設(shè)有凹槽,T型平臺可置于加熱爐內(nèi),T型平臺的底端可以固定在凹槽內(nèi)。T型平臺采用加熱棒制備而成,能夠進行加熱,進一步T型平臺外表面還設(shè)有一層導(dǎo)熱膜。
經(jīng)化學氣相沉積鍍覆后金剛石粉體表面能形成均勻致密的鍍覆層,且鍍層雜質(zhì)含量少,物相為α-W。
有益效果:
1)發(fā)明方法工序及所需設(shè)備簡單,易于操作,沉積速度快,效率高。
2)本發(fā)明可在金剛石粉體表面形成一層均勻致密的鎢沉積層(如圖2),且鍍層純度高、結(jié)構(gòu)單一(如圖3、4)。
3)鍍層與基體結(jié)合良好(如圖5),鍍鎢后的金剛石粉體與銅粉熱壓燒結(jié)為24×7×6mm的塊體,經(jīng)分析測試壓塊熱膨脹系數(shù)降低、抗彎強度提高近40%。
附圖說明
圖1沉積設(shè)備示意圖;
圖2不同溫度下即實施例1-3金剛石粉體鍍鎢表面形貌,
圖3鍍層X射線衍射結(jié)構(gòu)分析;
圖4鍍層能譜成分分析;
圖5普通金剛石和鍍鎢金剛石與銅粉熱壓后斷面形貌。
具體實施方式
一種在金剛石表面形成金屬鎢鍍層的方法:
金剛石的除油及粗化處理。首先將金剛石用乙醇超聲清洗20min;然后用丙酮超聲清洗20min,去除附在表面的有機物;再將金剛石放在溫度為60℃10g/L的NaOH溶液中超聲清洗30min,除去金剛石表面的油污,用去離子水沖洗至中性。最后放在60℃溫度10%的HN03超聲清洗30min,對金剛石表面進行粗化,再用去離子水沖洗至中性。最終將金剛石顆粒烘干。
實施例1
將2g左右烘干的金剛石顆粒均勻的平鋪于加熱平臺上,然后將平臺放于加熱爐中,在氫氣氣氛下將溫度加熱到550℃后保溫0.5h;按H2通入量為1L/min,WF6通入量1g/min通入反應(yīng)氣體;沉積過程中保持平臺震動。反應(yīng)2min后關(guān)閉WF6再保溫0.5h。緩慢冷卻至室溫后將金剛石粉體取出。經(jīng)低倍觀察發(fā)現(xiàn)獲得鎢鍍層均勻致密(厚度約5um),鍍層結(jié)構(gòu)單一,且具有較高純度。
實施例2
將2g左右烘干的金剛石顆粒均勻的平鋪于加熱平臺上,然后將平臺放于加熱爐中,在氫氣氣氛下將溫度加熱到620℃后保溫0.5h,按H2通入量為1L/min,WF6消耗量2g/min,反應(yīng)2min后關(guān)閉WF6再保溫0.5h。沉積過程中保持平臺震動。緩慢冷卻至室溫后將金剛石粉體取出。經(jīng)低倍觀察發(fā)現(xiàn)獲得鎢鍍層均勻致密(厚度約10um),鍍層結(jié)構(gòu)單一,且具有較高純度。
實施例3
將2g左右烘干的金剛石顆粒均勻的平鋪于加熱平臺上,然后將平臺放于加熱爐中,在氫氣氣氛下將溫度加熱到700℃后保溫0.5h,按H2通入量為1L/min,WF6消耗量3g/min,反應(yīng)2min后關(guān)閉WF6再保溫0.5h。沉積過程中保持平臺震動。緩慢冷卻至室溫后將金剛石粉體取出。經(jīng)低倍觀察發(fā)現(xiàn)獲得鎢鍍層均勻致密(厚度約15um),鍍層結(jié)構(gòu)單一,且具有較高純度。
鍍層與基體結(jié)合良好(如圖5),將實施例3的鍍鎢后的質(zhì)量分數(shù)為8.77%金剛石粉體與銅粉(200目~250目)熱壓燒結(jié)(燒結(jié)參數(shù)為:760℃,50KN,5分鐘)為24×7×6mm的塊體,經(jīng)分析測試壓塊熱膨脹系數(shù)降低、抗彎強度提高近40%。
表1抗彎強度的測試結(jié)果/MPa
表2熱膨脹系數(shù)的測試結(jié)果
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