Аннотация: В этом исследовательском отчете основное внимание уделяется состоянию исследований, процессу подготовки, эксплуатационным характеристикам и применению алмазного покрытия во многих областях. В нем подробно рассматриваются преимущества алмаза с покрытием по сравнению с обычным алмазом, анализируется влияние различных процессов нанесения покрытия на характеристики алмаза и рассматриваются будущие тенденции его развития с целью предоставить исчерпывающую информацию для исследования, производства и применения алмазов с покрытием. - Глубина эталонной базы.
1. Введение
Алмаз обладает превосходными свойствами, такими как чрезвычайно высокая твердость, износостойкость и теплопроводность, и имеет широкие перспективы применения во многих областях, таких как механическая обработка, сверление и электроника. Однако поверхностная химическая активность необработанного алмаза низка, а сила связи с материалом матрицы слаба, что ограничивает полное использование его характеристик. Технология алмазного покрытия с покрытием эффективно улучшает соединение между алмазом и матрицей путем нанесения металлических или других покрытий на поверхность алмаза, что значительно улучшает его общие характеристики и становится одним из актуальных направлений исследований в области материаловедения.
2. Процесс подготовки алмазного покрытия
(1) Метод гальванического покрытия
Гальваника – это широко используемый процесс подготовки алмазного покрытия. Его основной принцип заключается в использовании электролиза для восстановления и осаждения ионов металлов на поверхности алмаза с образованием покрытия. В процессе гальванического покрытия алмаз служит катодом, а металлический анод растворяется в электролите с образованием ионов металла, которые мигрируют к поверхности алмаза и осаждаются под действием электрического поля. Например, в процессе никелирования в качестве источника никеля обычно используется сульфат никеля в сочетании с борной кислотой и другими буферами и добавками, а также состав и параметры процесса гальванического раствора (такие как плотность тока, температура, значение pH, и т. д.) регулируются для получения равномерного и однородного никеля на поверхности алмаза. Плотное никелирование. Преимуществами метода гальванического покрытия являются отработанная технология, низкая стоимость, высокая работоспособность и возможность крупномасштабного производства, недостатком является то, что сила связи между покрытием и алмазом относительно ограничена, а однородность толщины покрытия; сложно точно контролировать.
(2) Метод химического покрытия
Химическое осаждение — это метод нанесения металла на поверхность алмаза, основанный на химических реакциях и не требующий внешнего электрического поля. На примере химического никелирования в качестве восстановителя обычно используют гипофосфит натрия, а никель осаждается на поверхность алмаза посредством автокаталитической реакции в растворе, содержащем ионы никеля. Ключом к химическому нанесению покрытия является разработка формулы раствора для нанесения покрытия и контроль условий процесса. Соответствующие добавки, такие как комплексообразователи, стабилизаторы и ускорители, имеют решающее значение для получения высококачественных покрытий. Метод химического нанесения покрытия позволяет получить однородное покрытие на поверхности алмаза сложной формы, и покрытие имеет хорошую силу сцепления с алмазом. Однако стабильность раствора покрытия низкая, стоимость относительно высока, и оно склонно к разрушению. проблемы загрязнения окружающей среды.
(3) Метод вакуумного покрытия
Технология вакуумного покрытия включает такие методы, как физическое осаждение из паровой фазы (PVD) и химическое осаждение из паровой фазы (CVD). PVD, такое как покрытие магнетронным напылением, использует ионы для бомбардировки мишени в среде высокого вакуума, в результате чего атомы или молекулы мишени распыляются и осаждаются на поверхности алмаза с образованием покрытия. Метод CVD генерирует материалы покрытия в газовой фазе посредством химических реакций и наносит их на поверхность алмаза. Например, метод CVD с горячей проволокой используется для нанесения алмазной пленки на поверхность алмаза, что может еще больше улучшить твердость и износостойкость алмаза. Метод вакуумного покрытия позволяет получить покрытие высокой чистоты, хорошей плотности и сильной силы сцепления, а также точно контролировать толщину и состав покрытия. Однако оборудование дорогое, процесс сложен и требует высоких условий эксплуатации. , поэтому он не подходит для крупномасштабного промышленного производства.
3. Эксплуатационные характеристики алмазного покрытия
(1) Улучшить силу сцепления с матрицей
Наличие слоя покрытия увеличивает площадь контакта и химическую связь между алмазом и подложкой, эффективно улучшая межфазное соединение между ними. Например, в композитах с металлической матрицей алмазы, покрытые металлическими слоями, могут лучше внедряться в матрицу и с меньшей вероятностью отваливаться под воздействием внешних сил, тем самым улучшая общие характеристики композитного материала. Эксперименты показывают, что прочность связи между никелированным алмазом и медной матрицей может быть увеличена более чем на 50% по сравнению с алмазом без покрытия.
(2) Повышение износостойкости
Покрытие может образовывать защитную пленку на поверхности бриллианта, уменьшая его износ во время использования. В то же время некоторые покрытия (например, покрытия из цементированного карбида) сами по себе обладают высокой твердостью и износостойкостью, что еще больше повышает износостойкость алмазного покрытия. В области режущей обработки срок службы алмазных инструментов с покрытием может быть значительно дольше, чем у обычных алмазных инструментов, что эффективно снижает затраты на обработку.
(3) Улучшение термической стабильности
В некоторых сценариях применения, используемых в высокотемпературных средах, слой покрытия может играть определенную роль в теплоизоляции и защите от окисления, а также улучшать термическую стабильность алмаза. Например, когда алмазный шлифовальный круг используется для шлифования жаропрочных сплавов, покрытие может уменьшить термическое повреждение алмаза при высоких температурах и сохранить стабильность его режущих характеристик.
(4) Изменение электрических свойств поверхности.
Путем нанесения покрытия из различных металлов или проводящих материалов можно изменить поверхностные электрические свойства алмаза, придав ему определенную проводимость или полупроводниковые свойства. Это обеспечивает возможность применения алмаза в электронной области (например, в качестве алмазных электродов, электронных теплорассеивающих материалов и т. д.).
4. Области применения алмазного покрытия
(1) Инструменты из сверхтвердых материалов
Алмаз с покрытием широко используется в инструментах из сверхтвердых материалов, таких как алмазные инструменты, шлифовальные круги и пильные полотна. Что касается режущих инструментов, то алмазные режущие инструменты с покрытием могут повысить эффективность резки и точность обработки и подходят для обработки материалов высокой твердости, трудно поддающихся резке, таких как керамика, твердый сплав и т. д. В области шлифовальных кругов и пильных полотен алмазное покрытие может повысить износостойкость и срок службы инструментов, улучшить качество обрабатываемых поверхностей и широко используется в обработке камня, резке металла и других отраслях.
(2) Этап армирования композитным материалом
В качестве армирующей фазы для композиционных материалов, таких как металлическая матрица и керамическая матрица, алмазное покрытие может значительно улучшить механические свойства композиционных материалов. Например, добавление частиц алмаза с покрытием в композиты на основе алюминия может повысить твердость композита на 30–50%, а прочность на 20–30%, сохраняя при этом хорошую ударную вязкость. Этот вид композиционного материала имеет широкие перспективы применения в аэрокосмической, автомобильной промышленности и других областях, а также может быть использован для изготовления легких и высокопроизводительных деталей.
(3) Электронная промышленность
В электронной промышленности алмазное покрытие используется в качестве теплоотводящего материала и материала электродов благодаря его хорошей теплопроводности и электрическим свойствам. Например, в мощных электронных устройствах радиаторы с алмазным покрытием могут эффективно снизить температуру чипа и повысить надежность и срок службы устройства. Алмазные электроды обладают преимуществами широкого электрохимического окна и низкого фонового тока и имеют потенциальное применение в электрохимическом анализе, электрохимическом синтезе и т. Д.
(4) Проект бурения
В проектах нефтяного и геологического бурения алмазные сверла с покрытием могут улучшить износостойкость и эффективность резания бурового долота, снизить износ и частоту замены бурового долота, а также снизить затраты на бурение. Алмазные буровые долота с покрытием показали очевидные преимущества, особенно при бурении твердых и сложных пород, и могут значительно увеличить скорость и глубину бурения.
5. Проблемы и тенденции развития исследований алмазов с покрытием
(1) Проблемы, с которыми сталкиваются исследования
Механизм межфазной связи между покрытием и алмазом еще требует дальнейшего изучения. Хотя важность химической связи и других эффектов для улучшения прочности связи признана, до сих пор отсутствует систематическое и всестороннее понимание конкретного механизма связи при различных материалах покрытия и состояниях поверхности алмаза, что ограничивает дальнейшую оптимизацию характеристик покрытия.
Оптимизация и инновации процессов нанесения покрытия сталкиваются со многими техническими трудностями. Например, как повысить эффективность гальванического покрытия, снизить затраты и уменьшить загрязнение окружающей среды, обеспечивая при этом качество гальванического покрытия, является ключевым вопросом, который необходимо решить в современных процессах гальванического и химического гальванического покрытия. Для процесса вакуумного нанесения покрытия также необходимо преодолеть трудности, связанные с локализацией оборудования, снижением затрат на оборудование и повышением стабильности и повторяемости процесса.
Существует мало исследований по изменению характеристик алмазного покрытия в условиях взаимодействия нескольких полей (таких как высокая температура, высокое давление, высокая влажность, сложные поля напряжений и т. д.). С постоянным расширением областей применения надежность работы в экстремальных условиях работы стала в центре внимания, но текущие соответствующие экспериментальные исследования и теоретические модели недостаточно совершенны.
(2) Тенденции развития
Разработка новых гальванических материалов и композиционных покрытий. Помимо традиционных металлических покрытий (таких как никель, медь, кобальт и т. д.), в будущем ожидается разработка покрытий с более высокой твердостью, лучшей износостойкостью, более высокой коррозионной стойкостью и специальными функциями (такими как самосмазывание, биосовместимость). и др.) Новые лакокрасочные материалы. В то же время исследования и применение композиционных покрытий (таких как металлокерамические композиционные покрытия, многослойные композиционные покрытия и т. д.) также станут горячей точкой, а комплексные характеристики алмазного покрытия будут дополнительно улучшены за счет синергия различных материалов.
Многомасштабные, междисциплинарные междисциплинарные исследования. Сочетая методы микроскопической характеристики (такие как сканирующая электронная микроскопия, просвечивающая электронная микроскопия, атомно-силовая микроскопия и т. д.) и макроскопические испытания производительности, взаимосвязь структура-свойство алмаза с покрытием может быть углубленно изучена на атомном и молекулярном уровне до макроскопического. шкала. В то же время мы объединяем междисциплинарные знания, такие как материаловедение, физика, химия и механика, чтобы создать более полную теоретическую модель, обеспечивающую научное руководство по проектированию, подготовке и применению алмазного покрытия.
Зеленое и устойчивое развитие. В условиях все более строгих требований по защите окружающей среды процесс подготовки алмазов с покрытием будет развиваться в направлении экологичности, низкого загрязнения окружающей среды и низкого энергопотребления. Например, разработка процессов гальванопокрытия без цианидов, экологически чистых решений для химического нанесения покрытия, а также высокоэффективных и энергосберегающих технологий вакуумного нанесения покрытий может обеспечить устойчивое развитие алмазной промышленности с покрытием.
Расширяйте новые области применения. Ожидается, что благодаря постоянному развитию науки и техники алмаз с покрытием будет применяться в новых областях, таких как новая энергетика, биомедицина и квантовая информация. Например, в области новой энергетики его можно использовать для производства высокоэффективных материалов для аккумуляторных электродов; в области биомедицины его можно использовать в качестве биосенсора или материала для восстановления твердых тканей в области квантовой информации; можно изучить потенциальную ценность применения в квантовых вычислениях и квантовых коммуникациях.
6. Заключение
Исследования и разработки алмаза с покрытием, как материала с широкими перспективами применения, в последние годы достигли значительного прогресса. Покрытия с различными свойствами могут быть получены на поверхности алмаза с помощью различных процессов нанесения покрытия, что эффективно улучшает силу связи между алмазом и матрицей, износостойкость, термическую стабильность и электрические свойства. Оно широко используется в инструментах из сверхтвердых материалов, композиционных материалах. , электроника и т. д. Он играет важную роль во многих областях, таких как промышленность и буровая техника. Тем не менее, все еще существуют проблемы, такие как недостаточные исследования механизма межфазного соединения, трудности в оптимизации процесса нанесения покрытия и недостаточные исследования характеристик многопольной связи. В будущем, благодаря разработке новых материалов для покрытия, углубленным междисциплинарным исследованиям, разработке процессов подготовки к сырью и расширению новых областей применения, алмаз с покрытием покажет больший потенциал развития в области материаловедения и будет способствовать развитию смежных отраслей. Оказывать мощную поддержку технологической модернизации и инновационному развитию.
