CN108103476B - 一种金刚石涂层的制备方法及其制备装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种金刚石涂层的制备方法，其包括以下步骤：将三聚氰胺溶解于醇溶液中，得到混合溶液；以甲烷和氢气为反应气源，将所述反应气源和所述混合溶液同时通入沉积室中，利用热丝气相沉积法在基体的表面沉积金刚石，得到金刚石涂层。该方法在气相沉积中引入了三聚氰胺和醇溶液，三聚氰胺和醇分解形成NH‑ 3和N+，不仅可以有效提高金刚石的生长速率，还可以将沉积在热丝上无定形碳氧化，提高热丝发热效率和使用寿命。同时，本发明还提供一种上述金刚石涂层的制备装置，该装置结构简单，设计合理，适于工业应用。

Description

一种金刚石涂层的制备方法及其制备装置
技术领域
本发明属于超硬材料涂层领域，具体地，涉及一种金刚石涂层的制备方法及其制备装置。
背景技术
随着高新技术的发展，汽车、航空以及航天领域需要质量更轻、性能更佳的材料。这些材料往往具有高硬度、高强度以及耐磨性等特点，如有色金属合金、碳纤维基增强材料、陶瓷材料等。而普通的硬质合金、聚晶立方氮化硼(CBN)以及聚晶金刚石(PCD)等刀具在切割上述材料过程中存在很多不足之处，因此急迫需要一种切割强度高、寿命长、耐磨性高以及加工精度高的刀具，金刚石涂层刀具的出现可以很好的解决以上问题，成为加工刀具中最理想的刀具。因此人们对金刚石涂层刀具的研究也越来越广泛。
目前制备金刚石涂层的方法主要有：热丝化学气相沉积(HFCVD)、微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)、直流等离子体法(DPJCVD)、火焰燃烧法(CFCVD)以及电子增强热丝法(EACVD)等，单纯的化学气相沉积法(CVD)制备金刚石涂层还处在研究阶段，在工业生产上通常采用热丝化学气相沉积方法来制备金刚石涂层刀具。然而利用热丝CVD法制备金刚石涂层，金刚石的生长速率较低，导致制备涂层的周期长、成本高。因此，开发一种可以有效提高金刚石生长速率的金刚石涂层的制备方法具有重要的现实意义。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种金刚石涂层的制备方法及其制备装置，以解决上述问题。
具体地，本发明采取如下技术方案：
一种金刚石涂层的制备方法，其包括以下步骤：
将三聚氰胺溶解于醇溶液中，得到混合溶液；
以甲烷和氢气为反应气源，将所述反应气源和所述混合溶液同时通入沉积室中，利用热丝气相沉积法在基体的表面沉积金刚石，得到金刚石涂层。
基于上述，得到所述金刚石涂层的步骤包括：将所述反应气源通入所述混合溶液中，并使所述反应气源携带所述混合溶液的蒸汽通入所述沉积室。
基于上述，得到所述混合溶液的步骤包括：在50～70℃条件下，按照所述三聚氰胺和所述醇溶液的质量比为1:(80～140)的比例，将所述三聚氰胺溶解于所述醇溶液中。
基于上述，得到所述混合溶液的步骤中，所述醇溶液为甲醇溶液、乙醇溶液或两者混合。
基于上述，得到所述金刚石涂层的步骤包括：在热丝功率为5～7kW，热丝温度为2000～2500℃，压力为2～4KPa的条件下，将所述反应气源和所述混合溶液的蒸汽同时通入沉积室中，利用热丝气相沉积法在经过预处理的基体的表面沉积金刚石涂层8～12h，得到所述金刚石涂层。
基于上述，所述反应气源中甲烷的体积分数为1.5％～3％。
基于上述，得到所述金刚石涂层的步骤中，所述基体为依次经过喷砂清洗、干燥和化学前处理的硬质合金基体。
所述化学前处理的步骤包括：先将喷砂清洗、干燥处理后的硬质合金基体先经过酸液酸洗，将所述硬质合金基体表面钴含量降低至1％；然后再将所述硬质合金基体使用碱液进行清洗，将硬质合金基体表面钴含量升高至3％～4％，酸洗和碱洗过程需超声水浴加热，水浴温度为50℃，最后使用去离子水超声清洗，去除硬质合金基体表面残留的酸液和碱液；其中，H2SO4、H2O2和H2O的按照质量比为100:(15～20):1混合，得到所述酸液；K3[Fe(CN)6、NaOH和H2O的按照质量比为1:1:2混合，得到所述碱液。
基于上述，经所述化学前处理的硬质合金基体的表面的钴元素的质量分数为3％～4％。
一种上述金刚石涂层的制备装置，它包括所述沉积室、与所述沉积室相连通的混合溶液制备装置和对所述混合溶液制备装置进行加热的水浴装置；所述混合溶液制备装置包括密闭不锈钢杯，所述密闭不锈钢杯上设置有反应气源进气管和出气管，所述反应气源进气管的一端伸入所述密闭不锈钢杯的底部；所述出气管的两端分别伸入所述密闭不锈钢杯和所述沉积室中。
基于上述，所述出气管上设置有节流阀，用于调节所述出气管的流量。
进一步，该金刚石涂层的制备装置的使用步骤包括：
将醇溶液和三聚氰胺置于所述密闭不锈钢杯中通过所述水浴装置进行加热，制得混合溶液；所述混合溶液的液位高度为所述密闭不锈钢杯深度的1/2～2/3；所述反应气源进气管的一端伸入所述密闭不锈钢杯的底部，所述反应气源进气管的另一端通入甲烷和氢气；所述出气管的一端深入所述沉积室中，所述出气管的另一端深入所述密闭不锈钢杯的内部且位于所述混合溶液的液面上方；甲烷和氢气进入所述密闭不锈钢杯中携带所述混合溶液的蒸汽通入所述沉积室中进行金刚石沉积，得到所述金刚石涂层。
与现有技术相比，本发明具有突出的实质性特点和显著进步。具体的说，本发明提供一种金刚石涂层的制备方法，该方法将三聚氰胺和醇溶液引入金刚石沉积过程中，而三聚氰胺在沉积过程中受热分解为NH- 3和N+，其中，N+可以有效提高金刚石的生长速率；同时，醇溶液在高温下分解，分解产物中存在氧，氧可以将沉积在热丝上的无定型碳氧化，避免因碳沉积在热丝表面使热丝发热效率下降致使缩短热丝寿命的问题，从而可以提高热丝的使用寿命。同时，本发明还提供所述金刚石涂层的制备装置，该装置结构简单，设计合理，可以将所述混合溶液和所述反应气源充分混合，适于工业应用。
附图说明
图1是本发明中所述不锈钢杯的结构示意图。
图中：1.水浴装置；2.密闭不锈钢杯；3.温度计；4.反应气源进气管；5.出气管；6.节流阀；7.沉积室。
具体实施方式
下面通过具体实施方式，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
实施例1
本实施例提供一种金刚石涂层的制备方法，其包括以下步骤：
按照质量比为1:80的比例，在50～70℃条件下，将三聚氰胺溶解于甲醇溶液中，得到混合溶液；
在热丝功率为5kW，热丝温度为2000℃，压力为2KPa的条件下，以甲烷和氢气为反应气源，将所述反应气源和所述混合溶液同时通入沉积室中，利用热丝气相沉积法在基体的表面沉积金刚石8h，得到金刚石涂层，其中，所述反应气源中甲烷的体积分数为1.5％。
实施例2
本实施例提供一种金刚石涂层的制备方法，其包括以下步骤：
按照质量比为1:140的比例，在50～70℃条件下，将三聚氰胺溶解于乙醇溶液中，得到混合溶液；
在热丝功率为7kW，热丝温度为2500℃，压力为4KPa的条件下，以甲烷和氢气为反应气源，将所述反应气源和所述混合溶液的蒸汽同时通入沉积室中，利用热丝气相沉积法在基体的表面沉积金刚石12h，得到金刚石涂层，其中，所述反应气源中甲烷的体积分数为3％。
实施例3
本实施例提供一种金刚石涂层的制备方法，其包括以下步骤：
按照质量比为1:100的比例，在50～70℃条件下，将三聚氰胺溶解于甲醇溶液中，得到混合溶液；
在热丝功率为6kW，热丝温度为2300℃，压力为3KPa的条件下，以甲烷和氢气为反应气源，将所述反应气源和所述混合溶液的蒸汽同时通入沉积室中，利用热丝气相沉积法在基体的表面沉积金刚石10h，得到金刚石涂层,其中，所述反应气源中甲烷的体积分数为2％。
实施例4
本实施例提供一种金刚石涂层的制备方法，其包括以下步骤：
按照质量比为1:120的比例，在50～70℃条件下，将三聚氰胺溶解于乙醇溶液中，得到混合溶液；
在热丝功率为5kW，热丝温度为2000℃，压力为2KPa的条件下，以甲烷和氢气为反应气源，将所述反应气源和所述混合溶液的蒸汽同时通入沉积室中，利用热丝气相沉积法在基体的表面沉积金刚石11h，得到金刚石涂层，其中，所述反应气源中甲烷的体积分数为2.5％。
实施例5
如图1所示，本实施例提供一种金刚石涂层的制备装置，它包括沉积室7、与所述沉积室7相连通的混合溶液制备装置和对所述混合溶液制备装置进行加热的水浴装置1；所述混合溶液制备装置包括密闭不锈钢杯2，所述密闭不锈钢杯2上设置有反应气源进气管4和出气管5，所述进气管4的一端伸入所述密闭的不锈钢杯2的底部；所述出气管5的两端分别连通所述沉积室7和所述密闭不锈钢杯2，所述出气管5上设置有节流阀6。
本实施例还提供一种利用上述制备装置制备金刚石涂层的方法，其包括以下步骤：
按照质量比为1:120的比例，先将三聚氰胺和甲醇溶液置于所述密封的不锈钢杯2中，再将所述密封的不锈钢杯2置于所述水浴装置1中在50～70℃加热得到所述混合溶液；
在热丝功率为5kW，热丝温度为2100℃，压力为4KPa的条件下，以甲烷和氢气为反应气源，将所述反应气源进气管4连通所述反应气源所述出气管5的一端深入所述沉积室7中，所述出气管5的另一端深入所述密闭不锈钢杯2的内部且位于所述混合溶液的液面上方，使所述反应气源进入所述密闭不锈钢杯2中夹带着所述混合溶液一同通过所述出气管5进入所述沉积室7中，利用热丝气相沉积法在基体的表面沉积金刚石12h，得到金刚石涂层，其中，所述反应气源中甲烷的体积分数为2.3％。
对比实验
对比实验与实施例5的区别在于：将实施例5中的三聚氰胺更换为等量的甲醇。
厚度测试
利用傅氏转换红外线光谱分析仪(FTIR)测定实施例1～5得到的金刚石涂层的厚度，测定结果参见表1。
表1实施例1～5得到的金刚石涂层的厚度
实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5 对比实验
厚度/(μm) 9 15 10 12 13 8
由表1可知，本发明提供的金刚石涂层的制备方法可以有效提高金刚石的沉积速率，提高金刚石涂层的生产效率。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (5)

1.一种金刚石涂层的制备方法，其包括以下步骤：
在50～70℃条件下，按照三聚氰胺和醇溶液的质量比为1：（80～140）的比例，将所述三聚氰胺溶解于所述醇溶液中，得到混合溶液；所述醇溶液为甲醇溶液、乙醇溶液或两者混合；
以甲烷和氢气为反应气源，在热丝功率为5～7 kW，热丝温度为2000～2500℃，压力为2～4 kPa 的条件下，将所述反应气源通入所述混合溶液中，并使所述反应气源携带所述混合溶液的蒸汽通入沉积室，利用热丝气相沉积法在经过预处理的基体的表面沉积金刚石涂层8～12 h，得到金刚石涂层；所述反应气源中甲烷的体积分数为1.5%～3%。
2.根据权利要求1所述的金刚石涂层的制备方法，其特征在于，得到所述金刚石涂层的步骤中，所述基体为依次经过喷砂清洗、干燥和化学前处理的硬质合金基体。
3.根据权利要求2所述的金刚石涂层的制备方法，其特征在于，经所述化学前处理的硬质合金基体的表面的钴元素的质量分数为3%～4%。
4.一种权利要求1～3任一项所述的金刚石涂层的制备方法所用的制备装置，其特征在于，它包括所述沉积室、与所述沉积室相连通的混合溶液制备装置和对所述混合溶液制备装置进行加热的水浴装置；所述混合溶液制备装置包括密闭不锈钢杯，所述密闭不锈钢杯上设置有反应气源进气管和出气管，所述反应气源进气管的一端伸入所述密闭不锈钢杯的底部；所述出气管的两端分别伸入所述密闭不锈钢杯和所述沉积室中。
5.根据权利要求4所述的金刚石涂层的制备方法所用的制备装置，其特征在于，所述出气管上设置有节流阀。
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CN102586762B (zh) * 2012-03-27 2015-08-19 上海交通大学 多元掺杂热丝化学气相沉积制备金刚石薄膜的方法
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