金刚石表面刻蚀对复合材料结构及性能的影响

发布时间：2020-07-17 22:56

【摘要】：金刚石因为具有高的硬度和强度及良好的化学稳定性,金刚石复合材料被广泛应用于脆性材料精密加工以及石材切割等方面;同时由于其高的导热性能,被看作是满足现代微电子器件高功率密度、小型化以及可靠性的下一代电子封装材料。但基体与金刚石浸润性差,因此改善金刚石与金属之间的界面结合性能是推动这些复合材料发展与应用的关键,本文通过刻蚀增加表面粗糙度的方法来改善复合材料的界面结合状况,增加复合材料的性能。主要研究内容如下:分别利用熔盐法与氧气氛法对金刚石颗粒进行刻蚀。在熔盐刻蚀条件下,分别在金刚石{100}面和{111}面上产生方形刻蚀坑和三角形刻蚀坑,随温度的升高刻蚀速率明显提升,刻蚀坑的尺寸增大,金刚石的{100}面的稳定性高于{111}面。当温度达到800℃以上时,金刚石颗粒棱角受到严重侵蚀。利用氧官能团与位错畸变能影响最优刻蚀方向的原理对不同形貌的形成机制进行了解释。刻蚀坑的形状由表面原子结构、温度以及氧气浓度决定,温度升高后,金刚石{100}面方形刻蚀坑四边的晶向发生转变。氧气氛刻蚀后金刚石表面形貌受刻蚀温度和氧含量影响较大,{111}面在氧气氛条件下表现出更高的不稳定性,刻蚀反应更加剧烈。{100}面上刻蚀坑形状不规整,只有个别位置生成了方形刻蚀坑,显示出比熔盐条件下更高的稳定性,且在低温刻蚀下生成的方形刻蚀坑四边晶向与利用熔盐刻蚀出来的方形坑四边晶向相比发生了偏转。相比于熔盐刻蚀,氧气氛刻蚀单靠氧气作为刻蚀介质,少了熔盐环境的影响,因此熔盐刻蚀后的金刚石表面粗糙度更高。利用盐浴镀覆方法,在金刚石表面镀覆Ti。随镀覆温度的升高,镀层趋于完整,厚度有所增加;合适的刻蚀程度有助于在金刚石表面形成完整的镀层,相比与未刻蚀的金刚石,刻蚀后金刚石生成的镀层完整度更高。对比两种刻蚀方法获得的样品对镀覆形貌的影响,氧气氛刻蚀后金刚石{111}面的活性提高,相同镀覆温度下,氧气氛刻蚀后金刚石的{111}面上的镀层明显增厚。利用不同刻蚀程度以及不同镀覆条件的金刚石与铜锡粉末混合制备复合材料,合适的镀覆厚度和刻蚀程度以及延长热压时间能够提高金刚石的抗弯性能,用700℃刻蚀15min并在850℃镀覆后的金刚石在700℃热压30min制备的复合材料样品抗弯性能最高,达到了400MPa以上。金刚石刻蚀后表面氧含量的提高不会降低基体材料的性能。在纯铜材料中参入Ti粉并与刻蚀的金刚石颗粒混合制备复合材料,随刻蚀程度的增加,复合材料的导热性能先下降后上升。具有合适刻蚀程度的金刚石颗粒的表面能够生成厚度合适的均匀包覆层,改善基体与金刚石的界面结合情况。用700℃30min刻蚀的金刚石颗粒制备的复合材料其热导率达到了512W·m~(-1)·K~(-1)。
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ163;TB33
【图文】：

图 1.1 金刚石三维晶体结构[4]√6a/2ρ=2/a2） （ρ=2.828/a2） （ρ=2.3100}面 {110}面 {111图 1.2 金刚石几何重要晶面及其晶面密度的金刚石具有强烈的光泽，颜色也多种多样，一般由等杂质，大部分的金刚石整体呈现出黄色。它具有熔及线膨胀系数低等特点，最高熔点温度在 3700℃左右在 1200 2000 W/mK 左右，显微硬度是石英的 1000 在 3.5g/ml，具有很高的研究与应用价值[5]。金刚石内部a[010]√2a[110]

有 Ni、Co、Cr 等架材料度的材料，可以提高复合材料的硬度与耐磨性，C、W、M定程度上能够提高样品的韧性。充材料中加入低熔点元素（Sn、Zn、Cu 等）能够降低材料的烧结些材料受热变形可以填充颗粒与颗粒之间的间隙，达到增能的目的[39]。为金刚石有较高的界面能，加入少量碳化物形成元素能够有之间的界面结构，提高基体对金刚石的把持力。包括 Ti、Cr殊作用元素一般指稀土元素和非金属的微量添加元素。稀土元素的加，改良基体与金刚石的结合，同时也能增加金属胎体的性元素的加入则可以优化胎体材料，例如在铁基体中加入 P 烧结温度，增加基体的硬度[42]。

因此本实验采用铜基金属以及刻蚀金刚石制成复合材料，研究其力学性能，力求提高金属基体与金刚石之间的结合。图1.5 利用刻蚀金刚石制备的复合材料界面结合示意图1.6.2 研究内容本实验研究了不同刻蚀参数对金刚石表面形貌的影响，并探讨了熔盐刻蚀金刚石的机理。采用热压烧结的制备工艺，以铜锡合金作为金属基体，研究不同热压工艺，不同镀覆工艺以及金刚石表面刻蚀程度对金刚石力学性能和导热性能的影响。主要内容概括如下：（1）针对刻蚀问题的研究，分别采用熔盐（熔融KNO3）和氧气与氩气的混合气体对金刚石颗粒进行刻蚀，探讨了不同刻蚀方法、刻蚀温度和保温时间以及氧含量对金刚石表面形貌的影响，实现表面的形貌调控。结合刻蚀参数对形貌的

【参考文献】

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本文编号：2760041