金刚石颗粒表面形成研究范文

《中国陶瓷杂志》2016年第一期

摘要：

采用Ti/Al/Graphite/Diamond粉体为原料，使用自蔓延高温烧结(SHS)技术，处于空气气氛下，在金刚石颗粒的表面形成了大量Al2O3晶须。采用XRD、SEM并结合EDS技术分析和研究试样。研究结果表明，原料经SHS反应后，生成了Ti2AlC、TiC、TiN、TiO和Al2O3。此外，在金刚石表面可形成了大量Al2O3晶须。提出一种金刚石表面形成了Al2O3晶须的反应机制，即发生SHS反应后，首先在金刚石表面形成致密的Al-Ti层，然后Al与O2反应，形成了大量Al2O3晶须。

关键词:

Al2O3晶须；金刚石；自蔓延高温烧结

金刚石陶瓷磨具具有不同于树脂和金属结合剂磨具材料的独特使用性能[1]，比如化学稳定性好、耐热性能好、硬度高、脆性大以及弹性变形小。但是目前陶瓷磨具应用受到限制，其中一个重要原因就是陶瓷结合剂对金刚石微粒润湿粘结能力差。这降低了结合剂对金刚石的结合强度，加工工件时，很容易造成金刚石的过早脱落。因此需要对金刚石表面进行处理，比如在金刚石表面镀上一薄层硅酸盐物质[2]，从而可提高陶瓷与金刚石的强度。此外还可在金刚石表面镀覆氧化铝[3]。以上镀膜方法工艺较繁琐，同时结合剂与金刚石磨料的结合强度并不是很大。通过SHS技术在金刚石表面镀覆是一种新的制备方法。SHS技术是利用反应原料发生的化学反应所产生大量的热量，在极短的时间内合成新材料的一种先进技术[4-5]。通过SHS技术已制备了许多金刚石复合材料[6-9]。采用SHS技术在金刚石表面镀覆陶瓷材料，具有消耗能源极少，处理时间极短等显著优势。作者已在先前的研究中采用Ti-B-Diamond粉体为原料进行SHS反应在金刚石表面合成了碳化硼涂层[10]。本研究主要针对Ti-Al-Graphite体系，添加适量金刚石颗粒，在空气中进行SHS反应，在金刚石表面获得了Al2O3晶须，对金刚石表面Al2O3晶须状态以及形成机制等方面进行了探讨。

1实验过程

实验所用原料为Ti粉（纯度>99.36%，平均粒度为53μm），Al粉（纯度>99.0%，平均粒度为53μm），石墨粉（纯度>99.0%，平均粒度为53μm），金刚石单晶粒度约为200μm。混合粉末中Ti∶Al∶Graphite=2∶1∶1，采用物质的量进行配比,把以上粉末通过手工研磨混料约1h后，在以上混合料中添加质量分数为10%的金刚石，继续手工研磨约1h，使原料充分混合均匀。最后，把粉末倒进直径为13mm的钢制模具中，在压片机上加压120MPa,制得厚度约为5mm的圆形坯体。使用等离子体焊机，可以产生高温等离子体以点燃坯体。用D/MAX2500PC转靶X射线衍射仪(采用Cukα辐射)对得到的试样进行物相分析。用扫描电镜并结合电子能谱仪分析和研究材料的显微形貌和微区成分。

2结果和讨论

图1为Ti/Al/石墨/金刚石粉料坯体经SHS反应得到的试样的XRD图。如图1所示，原料经反应后生成了Ti2AlC、TiC、TiN、TiO和Al2O3。通常来说，在真空或保护气氛下，Ti/Al/石墨体系发生SHS反应，主要生成物为Ti2AlC和TiC。但由于本研究中原料坯体处于空气中，相应的空气中增加了N元素和O元素，而二者处于气体状态，更容易与Ti/Al/石墨粉体发生化学反应，其中TiO和Al2O3峰强度较高，表明原料氧化程度较严重。图2为试样中金刚石区域的形貌图。图2(a)为试样低倍形貌图。从图2(a)可以观察到基体中间和金刚石颗粒表面包裹着一层物质，这一层物质为白色的颗粒或大量的须状物。图2(b)显示图2(a)金刚石表面中“A”处区域的放大形貌。通过EDS确认这些白色颗粒物质和须状物为氧化铝晶须，许多晶须的顶端都有一个圆珠状物质。图2(c)显示图2(a)金刚石中“B”处区域的放大形貌。

从图2(c)可观察到这一金刚石晶面由大量氧化铝晶须组成。通过以上结果可知，在金刚石表面形成了大量Al2O3晶须。这些晶须直径约0.2～0.5μm，长度在几微米到几十微米不等。通过以上的研究可知，采用SHS技术可在金刚石的表面形成大量Al2O3晶须。对于本研究中金刚石表面形成涂层的机制，我们进行了如下的分析和讨论。金刚石表面能够形成Al2O3，显然首先要在金刚石表面形成富Al层。图3为保护气氛下Ti/Al/石墨/金刚石粉料坯体经SHS反应得到的试样的金刚石区域形貌图。如图3(a)所示，在反应后，金刚石表面包裹了一层物质，经EDS确认为富Al-Ti层，同时含有少量C元素。

从图3(b)可知，该层厚度约为10μm，并且与金刚石结合非常紧密。对于保护气氛下，Ti/Al/石墨/金刚石粉料在金刚石表面形成的涂层的SHS反应过程，可简述如下：反应产生的大量热，会促进Al和Ti熔化，形成Al-Ti共晶液相，包裹在金刚石表面。一方面由于金刚石具有较大的热导率，具有良好的散热效果，另一方面SHS反应时间极短，只有大约2s左右，以上这两种因素都抑制了Al-Ti共晶液相发生化学反应，使它们来不及发生化学反应，从而在反应后“冷冻”下来在金刚石表面形成Al-Ti相。当坯体处于空气气氛中，金刚石表面仍然会首先形成Al-Ti共晶液相，包裹在金刚石表面形成致密的Al-Ti层，然后大量的O2进入坯体和金刚石颗粒的间隙，迅速与Al-Ti层发生化学反应，从而形成Al2O3晶须。

关于Al2O3晶须的合成机制，我们进行如下讨论，根据实验现象来看，其可能的机制是气-液-固(vapour-liquid-solid,VLS)机制。文献[12-13]报道了利用Ti粉和Al粉经热处理原位生成Al2O3晶须，主要是通过VLS机制形成Al2O3晶须的。通常在VLS机制形成晶须的过程中，杂质起了很重要的作用。在本研究中，VLS机制中杂质(Ti)与反应原料-Al形成低共熔的L-S界面，然后气相中的反应物(O2)通过这个界面传递到L-S界面沉积，并形成晶须。此外，液相冷却后，形成小圆珠凝结在晶须头部，这也是VLS机制的重要特征。从图2(b)中可清楚地观察到许多晶须的尖端呈液滴状，也有力地证明了VLS机制是适合本研究Al2O3晶须合成的。

综合以上分析可知，当Ti/Al/石墨/金刚石坯体处于空气气氛中，发生SHS反应后，金刚石表面首先形成Al-Ti层，而大量的O2进入原料中，与Al-Ti层发生化学反应，通过VLS机制形成了Al2O3晶须材料。

3结论

采用Ti/Al/Graphite/Diamond粉体为原料，在空气气氛下，通过SHS反应在金刚石颗粒的表面形成了大量的Al2O3晶须，晶须直径约0.2～0.5μm。提出一种金刚石表面形成了Al2O3晶须的反应机制，即首先在金刚石表面形成致密的Al-Ti层，然后Al-Ti相与O2反应，形成了大量Al2O3晶须。

作者：梁宝岩 王艳芝 张旺玺 徐世帅 单位：中原工学院 材料与化工学院