一种基于金刚石晶体的复合材料及其制备方法
【专利摘要】本发明提供了一种基于金刚石晶体的复合材料的制备方法，包括：在碳纳米管和/或碳纤维的表面上形成阻隔层；在阻隔层上形成用于引导金刚石晶体沉积的形核位点；在阻隔层上沉积金刚石涂层。采用本发明的上述制备方法，通过阻隔层可以在不破坏碳纳米线或者碳纤维的情况下在其上面涂覆高质量金刚石晶体，并且还可以使金刚石晶体与碳纳米线或者碳纤维之间有非常高的结合力；同时通过形核位点引导金刚石涂层的沉积，防止发生二次形核的现象导致降低金刚石的涂层的品质。
【专利说明】 一种基于金刚石晶体的复合材料及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于复合材料【技术领域】，具体涉及一种基于金刚石晶体的复合材料及其制备方法。
【背景技术】
[0002]碳纳米管以及碳纤维材料具有一系列与众不同的属性，如机械强度高，韧性优良和导电性强等。另一方面，众所周知金刚石有特殊的物理性质，如高硬度，被广泛应用于耐磨硬质涂层、切割及抛光工具。尽管金刚石薄膜硬度很高，但是韧性低，有机械脆性。碳纳米管和/或碳纤维和金刚石的复合物通过相互的补充，实现非常适合用于制造同时具有优良的机械性能，导电性和热性能的材料，因此具有很高的使用价值。复合物材料中金刚石包覆碳纳米管和/或碳纤维纱线从综合性能，以及生产效率和成本上均具有很高的使用价值。
[0003]而现有制备金刚石涂层的方法中，通常是利用沉积化学气相沉积(CVD)，在强的富氢等离子体、温度高于700°C条件下进行，氢作为催化剂促进碳的SP3杂化键的形成，破坏SP2杂化键的形成。但是这种环境也会对同样是SP2键的碳纳米管/碳纤维造成破坏，从而降低碳纳米管和/或碳纤维的质量。
[0004]为了弥补传统的化学气相沉积法制备存在上述不足的情形，M.Terranova(Chemistry of Materials 17.2005.3214)等人利用热丝化学气相沉积(HFCVD)装置，以铁为催化剂涂覆在硅衬底上，在氩氛围中用碳纳米粒子流一步合成出碳纳米管和金刚石纳米晶，实现金刚石纳米晶颗粒在单壁碳纳米管束上的生长。N.Shankar (Diamond Related Matter, 17.2008, PP.79 一 83,)等人先在娃基底上分散多壁碳纳米管，然后用热丝化学气相沉积(HFCVD)装置使金刚石沉积在这个结构上，成功生长出了碳纳米管/金刚石复合材料。他们发现在金刚石生长的典型沉积条件下，即1%甲烷和99%氢气，碳纳米管被破坏。然而增加甲烷流量至2% _5%，即降低氢气部分刻蚀作用，他们发现碳纳米管没有被刻蚀，金刚石能够在碳纳米管上形核和生长。然而，降低了刻蚀活性会对金刚石粒子的表面形貌产生负面作用，使它的微晶结构变成“菜花”形貌，即许多纳米尺寸(100— 400nm)的金刚石颗粒在碳纳米管上随机形核，生长。
[0005]采用上述方法制备得到的金刚石包覆碳纳米管和/或碳纤维材料，其碳纳米管的质量、金刚石的质量或者二者质量仍会受损。同时在Terranova等人和Shankar等人所做的两项工作中，所形成的金刚石是极小的纳米晶组成的单一晶体，没有微晶金刚石的形成，并且进一步复合过程只能在一个狭窄的参数窗口进行，在合成不同类型或结构的复合材料方面的灵活性非常小，在应用中仍然存在缺陷。
【发明内容】
[0006]本发明实施例的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种可以实现高质量的金刚石晶体牢固地附着在碳纳米管或者碳纤维表面上，同时又不会损伤质量的碳纳米管线和金刚石晶体复合材料及其制备方法。
[0007]为了实现上述发明目的，本发明实施例的技术方案如下:
[0008]一种基于金刚石晶体的复合材料的制备方法，包括如下步骤:
[0009]在碳纳米管和/或碳纤维的表面上形成阻隔层；
[0010]在所述阻隔层上形成用于引导金刚石晶体沉积的形核位点；
[0011]在所述阻隔层上沉积金刚石涂层。
[0012]采用本发明的上述制备方法，通过阻隔层可以在不破坏碳纳米线或者碳纤维的情况下在其上面涂覆高质量金刚石晶体，并且还可以使金刚石晶体与碳纳米线或者碳纤维之间有非常高的结合力；同时通过形核位点引导金刚石涂层的沉积，防止发生二次形核的现象导致降低金刚石的涂层的品质的问题。
[0013]本发明进一步还保护按照上述方法制备得到的基于金刚石晶体的复合材料，以及由该复合材料制备的微米级线锯。
[0014]本发明制备得到的上述基于金刚石晶体的复合材料，可以实现高质量的金刚石晶体牢固地附着在碳纳米管或者碳纤维表面上，或者二者形成的结构上而又不会损伤碳纳米管和碳纤维，品质相比现有的复合材料大大提升。同时制备得到的微米级线锯，与现有方法制造的金刚石线锯相比，本发明中制备得到的线锯直径在20微米左右，而现有做法中线锯的直径都在I毫米以上；因此本发明不仅降低了线锯的制造成本，同时在应用方面，例如在硅片的切割方面，可以实现无锯末切割，平均可以节省约三分之一的硅片材料成本，可以极大地降低硅基器件材料(如太阳能光伏电池板)的成本。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中:
[0016]图1为本发明实施例基于金刚石晶体的复合材料制备方法示意图；
[0017]图2为本发明实施例碳纳米管阵列上制备金刚石涂层的形态变化示意图。
【具体实施方式】
[0018]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0019]本发明实施例提供一种基于金刚石晶体的复合材料制备方法，如图1所示，包括如下步骤:
[0020]S10，在碳纳米管和/或碳纤维的表面上形成阻隔层；
[0021]S20，在阻隔层上形成用于引导金刚石晶体沉积的形核位点；
[0022]S30，在阻隔层上沉积金刚石涂层。
[0023]本发明的上述方法中，步骤SlO中首先采用在复合材料的制备过程中在碳纳米管和/或碳纤维的表面先形成一阻隔层，其目的是在后续金刚石的沉积过程中，保护碳纳米管和/或碳纤维结构不受用于形成高质量金刚石所需的活性气体和温度的影响。其中，这一措施的优势是没有采用折中的CNT和金刚石生长参数，可以自由选择金刚石晶体沉积的过程条件来获得高质量金刚石晶体，而不用考虑必需的活性气体氛围会产生损伤碳纳米管和/或碳纤维结构的影响。同时，阻隔层也可以支撑金刚石形核或者作为粘附促进剂允许金刚石和碳纳米管和/或碳纤维间有更大的负荷转移。因此，大大提升了复合材料制备过程中的灵活性。
[0024]其中，基于上述要求和条件，对于阻隔层要求是能实现保护碳纳米管和/或碳纤维结构抵抗在金刚石沉积过程中恶劣条件的功能；因此阻隔层的材质选择，在满足上述条件下理论上本领技术人员皆可常识采用。进一步在本发明中，为了保证结合强度等品质，阻隔层采用无定形的硅基缓冲膜，它是以四甲基硅烷和氧作为前体，通过电感耦合PECVD过程沉积得到的几纳米厚度的薄层；或者阻隔层采用一层无定形氧化硅或碳化硅，性能和使用效果上能最大限度地满足中对于品质的要求。同时，为了达到所需的保护作用，要求阻隔层以最小厚度包覆在碳纳米管和/或碳纤维上或者碳纳米管和/或碳纤维复合物的结构上，通常要求这种阻隔层的厚度小于lOOnm。实施过程中出于金刚石沉积的品质，首选的阻隔层厚度小于20nm,更加优选的厚度小于1nm或者仅仅只有几纳米。
[0025]同时，该阻隔层的形成优选采用电容耦合等离子体化学气相沉积法实现，在高频或直流电场作用下，源气体电离形成等离子体，利用低温等离子体作为能量源，通入适量的阻隔层材料的反应气体，利用等离子体放电，使阻隔层材料的反应气体激活并实现化学气相沉积。采用该方法可以促进阻隔层材料的反应气体分子的化学键断裂和重新组合，生成活性更高的化学基团，增强结合性；同时整个反应体系却保持较低的温度，避免对碳纤维/碳纳米管产生影响。
[0026]进一步在步骤SlO之后，步骤S20中采用在阻隔层的表面上形成用于引导金刚石晶体沉积的形核位点，从而在沉积的过程中引导在最初形核位点促进晶粒生长，防止发生二次形核的现象导致降低金刚石的涂层的品质。
[0027]在该步骤S20中，该引导的形核位点可以简单的采用纳米金刚石籽晶即可实现，在沉积过程中作为引导晶核，引导金刚石涂层的沉积和增长。形成该形核位点的方式，在发明实施过程中，可以采用过偏压增强成核的办法进行，或者将镀有硅基薄膜阻隔层的碳纳米管和/或碳纤维浸没在悬浮着纳米金刚石微粒的乙醇溶液中用超声浴方法种上金刚石籽晶，皆可；技术人员可以根据制备条件和效果进行选择，在此不做限定。
[0028]最后步骤S30中进行金刚石沉积的步骤，在碳纳米管和/或碳纤维的阻隔层上形成金刚石涂层。该过程可以采用化学气相沉积，在有利于碳的SP3杂化键生成的反应气体氛围下，在碳纳米管/碳纤维或碳纳米管碳纤维复合物上的阻隔层上实现金刚石晶体的沉积或合成；或者也可以采用其他涂层技术进行，均可。
[0029]进一步在本发明中为了避免涂层步骤损伤碳纳米管和/或碳纤维，优先选用等离子体加强化学气相沉积(PECVD)来实现碳纳米管/碳纤维或者碳纳米管/碳纤维结构的涂层。同时在实施过程中，更保证高质量金刚石晶体在最初形核位点促进晶粒生长，而没有二次形核发生。等离子体加强的反应性气体气氛中利用超过98%的氢气产生强烈的富氢等离子体环境，能最终形成一个由金刚石颗粒完整包覆封闭的碳纳米管和/或碳纤维结构。当然，为了避免涂层步骤损伤碳纳米管和/或碳纤维，PECVD过程应在低压、适中温度下进行。
[0030]在带有阻隔层的碳纳米管/碳纤维或者碳纳米管/碳纤维结构上沉积金刚石晶体的步骤中，可以优先选用微波类化学气相沉积法。沉积高质量金刚石过程中，选用的反应气体氛围可能包括任何利于金刚石沉积的气体成分，而不应包含能产生二次成核的气体成分。比如，反应气体包括超过98%的氢气和少于2%的甲烷，避免诱导产生二次成核。同时在这个过程中，为了实现在碳纳米管/碳纤维或者其结构上获得高质量金刚石层，应选择合适的温度和压强，在本发明实施中根据阻隔层厚度，以及所需形成金刚石体层晶晶型品质控制，优选压力低于10hPa,温度高于700°C。
[0031]基于本实现本发明上述相同目的，采用电容耦合PECVD过程实现在碳纳米管和/或碳纤维，或者碳纳米管和/或碳纤维复合结构上涂覆阻隔层，而后续金刚石的合成过程采用在微波CVD或者热丝CVD中进行。
[0032]根据制备复合材料过程中的需要，实施过程在步骤SlO之前，还可以包括如下步骤:
[0033]S00，将碳纳米管和/或碳纤维按照所需制备的复合材料的结构处理，生成预期的碳纳米管和/或碳纤维结构；比如将碳纳米管进行处理形成碳纳米管阵列或碳纳米线的结构形态，或者碳纳米管形成的结构可能是这样的纳米管的任意排列，其中包括大片耸立的碳纳米管，在不同基底上分散的碳纳米管自旋涂层膜，碳纳米管网或碳纤维纱线等等。当然其结构和形态，可以根据所需制备的复合材料的要求进行选择，在此不做限定。
[0034]采用本发明的上述制备方法，通过阻隔层可以在不破坏碳纳米线或者碳纤维的情况下在其上面涂覆高质量金刚石晶体，并且还可以使金刚石晶体与碳纳米线或者碳纤维之间有非常高的结合力；同时通过形核位点引导金刚石涂层的沉积，防止发生二次形核的现象导致降低金刚石的涂层的品质。
[0035]并且采用本发明的上述方法制备，金刚石涂层可应用于各种碳纳米管和/或碳纤维结构，例如大片排列的碳纳米管，碳纳米管网和碳纤维纱线。它也提供了调节碳纳米管和/或碳纤维在复合材料和研发中的层状复合材料，以及实现规模化生产薄、硬、耐磨的涂层等中的体积配比的灵活性。
[0036]同时本发明进一步还可以将上述复合材料制备的微米级线锯。其中，所得到的微米级线锯可以替换传统线锯用来切割硅片；与现有依靠电镀或者镶嵌将金刚石晶体连接到金属线上制备金刚石线锯或者锯丝的制造方法相比，本发明中制备得到的线锯直径在20微米左右，而现有做法中线锯的直径都在I毫米以上；因此本发明得到的不仅降低了线锯的制造成本，同时在应用方面，例如在硅片的切割方面，可以实现无锯末切割，平均可以节省约三分之一的硅片材料成本，可以极大地降低硅基器件材料(如太阳能光伏电池板)的成本。
[0037]采用本发明制备可以得到均匀分布的金刚石线，其具有多种多样的使用价值，t匕如:①纳米管/碳纳米线增强金刚石用在超硬耐磨薄膜涂层；②金刚石包覆的线，由微米级金刚石在碳纳米管和/或碳纤维组成，可以替换传统的替换传统的镶嵌或者电镀金刚石的金属线切割器不锈钢上镶钻来切割半导体材料如硅材料；③高温高压传感器；④场发射器件微观力学和传感应用；⑥灵活可弯曲的金刚石涂层；⑦基于碳纳米管和/或碳纤维覆盖硅基薄膜的纳米线。
[0038]为使本发明上述方法过程的实施细节更加清楚完整、易于本领域技术人员的实施参考，以及使本发明的突出的进步性效果更加显著，以下通过实施例对上述过程的实施进行具体举例说明。
[0039]实施例1
[0040]S00，对碳纳米管处理生成预期碳纳米管阵列(如图2所示)；
[0041]S10，在较低压力下和适宜的温度下通过电容耦合PECVD的办法在四甲基硅烷和氧气条件下，在碳纳米管和/或碳纤维结构上覆盖上硅基薄阻隔层；
[0042]S20，将镀有硅基薄膜缓冲层的碳纳米管和/或碳纤维浸没在悬浮着纳米金刚石微粒的乙醇溶液中用超声浴方法种上金刚石籽晶；
[0043]S30，利用微波CVD法，在反应器中适宜的条件下(98%以上的氢气和少于2%的甲烷在70hpa的压力和850°C下)制备沉积金刚石涂层。
[0044]图2展示出了本实施例制备碳纳米阵列上覆盖金刚石过程示意。在图2中单个碳纳米管的阵列放在合适的基板上；硅基薄膜阻隔层能够保证在合成金刚石时碳纳米管的顶部不会遭到破坏；并最终形成金刚石涂层。
[0045]以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种基于金刚石晶体的复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤: 在碳纳米管和/或碳纤维的表面上形成阻隔层； 在所述阻隔层上形成用于引导金刚石晶体沉积的形核位点； 在所述阻隔层上沉积金刚石涂层。
2.如权利要求1所述的基于金刚石晶体的复合材料的制备方法，其特征在于，所述阻隔层为无定形的硅基缓冲膜、无定形氧化硅或碳化硅。
3.如权利要求2所述的基于金刚石晶体的复合材料的制备方法，其特征在于，所述阻隔层的厚度小于lOOnm。
4.如权利要求1至3任一项所述的基于金刚石晶体的复合材料的制备方法，其特征在于，所述形核位点为纳米金刚石籽晶。
5.如权利要求4所述的基于金刚石晶体的复合材料的制备方法，其特征在于，在所述阻隔层上形成用于引导金刚石晶体沉积的形核位点步骤中，采用偏压增强成核或者纳米金刚石微粒悬浮液超生浴的方法生成形核位点。
6.如权利要求1至3任一项所述的基于金刚石晶体的复合材料的制备方法，其特征在于，在所述阻隔层上沉积金刚石涂层步骤中，采用等离子体加强化学气相沉积制备金刚石涂层。
7.如权利要求6所述的基于金刚石晶体的复合材料的制备方法，其特征在于，所述等离子体加强化学气相沉积过程中，反应性气体气氛的氢气浓度大于98% ； 和/或，所述等离子体加强化学气相沉积过程中，反应压力低于10hPa,温度高于700。。。
8.如权利要求1至3任一项所述的基于金刚石晶体的复合材料的制备方法，其特征在于，在所述碳纳米管和/或碳纤维的表面上形成阻隔层步骤中，采用电容耦合等离子体化学气相沉积法形成所述阻隔层。
9.根据权利要求1至8任一项所述的基于金刚石晶体的复合材料的制备方法制备得到的基于金刚石晶体的复合材料。
10.一种采用权利要求9所述的基于金刚石晶体的复合材料制备的微米级线锯。
【文档编号】B28D5/04GK104451596SQ201410638045
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年11月12日 优先权日:2014年11月12日
【发明者】唐永炳, 朱雨, 牛卉卉, 刘辉 申请人:中国科学院深圳先进技术研究院