一种金刚石粉体表面镀钨的方法与流程

本发明属于镀膜技术领域，特别涉及粉体表面预处理和粉体表面CVD法镀钨的方法，可用于金刚石磨料工具和电子封装材料的前期处理。

技术背景

金刚石具有极高的硬度、良好的耐蚀耐磨性能和低的热膨胀系数，在机械、钻探领域有很大的应用潜能，而且金刚石无与伦比的热导性能(室温下为2000W·m^-1,约为常用的优良导热体铜的5倍)和铜在工业的经济意义促使金刚石/铜复合材料成为第三代高性能电子封装材料的研究重点。目前金刚石产品主要是通过与金属粉末烧结而制成的。由于金刚石为共价结合的晶体，表面能较高，与基体金属的润湿性比较差，在工作中容易脱落。因此，如何使金刚石与基体间形成牢固的结合是一个关键的技术难题。金刚石表面金属化可以解决金刚石表面润湿性差的问题。目前金刚石金属化的方法有化学气相沉积镀、化学镀和电镀、盐浴镀、扩散镀、磁控溅射镀等，而电镀或化学镀等方法操作技术性比较高，要精确控制溶液配比，且会引入其它杂质，而磁控溅射镀、双阴极等离子镀每次镀覆的粉体的数量有限。

采用化学气相沉积方法制备表面镀层，沉积速度快，效率高，可以在粉体上沉积几百纳米到几毫米厚的涂层。沉积过程中，绕度性好，可以沉积出组织均匀致密的镀层。钨是难熔金属中熔点最高的金属，具有高硬度、极佳的化学稳定性，并且是典型的碳化物形成元素。通过化学气相沉积在金刚石粉体表面镀覆钨层，可提高金刚石与其它金属的结合强度，使金刚石工具的性能更稳定，并且使金刚石/铜复合材料作为电子封装材料的性能得到提高。

技术实现要素：

本发明是针对现有粉体表面镀钨成本高、镀层厚度均匀性差、与金刚石颗粒基体界面结合效果不好而提出的一种金刚石粉体表面镀钨的方法，其具有简单高效、镀层致密均匀、膜层成分结构单一、膜层与基体结合牢固等特点。

本发明的技术方案是：

一种金刚石粉体表面镀钨的方法，采用的是化学气相沉积法，化学气相沉积前对金刚石粉体进行预处理，具体工艺过程依次为：丙酮超声清洗除有机物→在NaOH溶液中超声清洗除油(如在10g/L的NaOH溶液中超声清洗除油)→在HNO₃中超声清洗粗化(如在质量百分含量10％的HNO₃中超声清洗粗化)→烘干，每一步之后，都用去离子水冲洗至中性，烘干；

将烘干的金刚石颗粒均匀的平铺于加热平台上，然后将平台固定于加热炉中，在通氢气气氛下将温度加热到550℃～700℃后保温10～60min，然后再通入WF₆，反应沉积一段时间，沉积过程中保持平台震动，然后关闭WF₆，再保温10～60min，然后自然冷却至室温，最后关闭H₂通入。

通入反应气体配比为H₂:WF₆＝1L:1～3g。

反应时间可根据需要层厚调节。

在沉积550℃～700℃温度范围，利用六氟化钨和氢气之间的还原反应(H₂+WF₆→W+HF)，还原生成钨原子在金刚石粉体表面形成钨镀层。

本发明采用的设备：加热平台为T型平台，加热炉上端侧面设有气体进口，下端侧面设有气体出口，加热炉下端内底面还设有凹槽，T型平台可置于加热炉内，T型平台的底端可以固定在凹槽内。T型平台采用加热棒制备而成，能够进行加热，进一步T型平台外表面还设有一层导热膜。

经化学气相沉积镀覆后金刚石粉体表面能形成均匀致密的镀覆层，且镀层杂质含量少，物相为α-W。

有益效果：

1)发明方法工序及所需设备简单，易于操作，沉积速度快，效率高。

2)本发明可在金刚石粉体表面形成一层均匀致密的钨沉积层(如图2)，且镀层纯度高、结构单一(如图3、4)。

3)镀层与基体结合良好(如图5)，镀钨后的金刚石粉体与铜粉热压烧结为24×7×6mm的块体，经分析测试压块热膨胀系数降低、抗弯强度提高近40％。

附图说明

图1沉积设备示意图；

图2不同温度下即实施例1-3金刚石粉体镀钨表面形貌，

图3镀层X射线衍射结构分析；

图4镀层能谱成分分析；

图5普通金刚石和镀钨金刚石与铜粉热压后断面形貌。

具体实施方式

一种在金刚石表面形成金属钨镀层的方法：

金刚石的除油及粗化处理。首先将金刚石用乙醇超声清洗20min；然后用丙酮超声清洗20min,去除附在表面的有机物；再将金刚石放在温度为60℃10g/L的NaOH溶液中超声清洗30min，除去金刚石表面的油污，用去离子水冲洗至中性。最后放在60℃温度10％的HN0₃超声清洗30min,对金刚石表面进行粗化，再用去离子水冲洗至中性。最终将金刚石颗粒烘干。

实施例1

将2g左右烘干的金刚石颗粒均匀的平铺于加热平台上，然后将平台放于加热炉中，在氢气气氛下将温度加热到550℃后保温0.5h；按H₂通入量为1L/min，WF₆通入量1g/min通入反应气体；沉积过程中保持平台震动。反应2min后关闭WF₆再保温0.5h。缓慢冷却至室温后将金刚石粉体取出。经低倍观察发现获得钨镀层均匀致密(厚度约5um)，镀层结构单一，且具有较高纯度。

实施例2

将2g左右烘干的金刚石颗粒均匀的平铺于加热平台上，然后将平台放于加热炉中，在氢气气氛下将温度加热到620℃后保温0.5h，按H₂通入量为1L/min，WF₆消耗量2g/min，反应2min后关闭WF₆再保温0.5h。沉积过程中保持平台震动。缓慢冷却至室温后将金刚石粉体取出。经低倍观察发现获得钨镀层均匀致密(厚度约10um)，镀层结构单一，且具有较高纯度。

实施例3

将2g左右烘干的金刚石颗粒均匀的平铺于加热平台上，然后将平台放于加热炉中，在氢气气氛下将温度加热到700℃后保温0.5h，按H₂通入量为1L/min，WF₆消耗量3g/min，反应2min后关闭WF₆再保温0.5h。沉积过程中保持平台震动。缓慢冷却至室温后将金刚石粉体取出。经低倍观察发现获得钨镀层均匀致密(厚度约15um)，镀层结构单一，且具有较高纯度。

镀层与基体结合良好(如图5)，将实施例3的镀钨后的质量分数为8.77％金刚石粉体与铜粉(200目～250目)热压烧结(烧结参数为：760℃,50KN，5分钟)为24×7×6mm的块体，经分析测试压块热膨胀系数降低、抗弯强度提高近40％。

表1抗弯强度的测试结果/MPa

表2热膨胀系数的测试结果

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