金刚石高效提纯工艺与表面处理技术研究

发布时间：2018-02-26 05:26

  本文关键词： 金刚石 电解提纯 化学镀铜 高温铜催化生长法 硼纳米线　出处：《浙江理工大学》2015年硕士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：金刚石作为一种极限功能材料被广泛应用于金属切削加工、半导体芯片封装、微波器件、光学窗口等众多领域，但天然金刚石产量稀少，早已不能满足社会发展所需，促使人造金刚石的市场需求量逐年增加，产量不断加大。目前人造金刚石的生产以高温高压法为主，对高温高压法金刚石合成块的快速经济绿色分解是目前生产中存在的技术难题之一，具有重要的经济价值。此外，基于金刚石高热导率、高硬度等独特性能进行的金刚石复合材料深度开发也在不断推进，如金刚石/铜复合材料被认为是最有前景的下一代封装材料，但金刚石特殊的晶体结构与物理化学特性导致其与铜复合后界面结合强度十分低，严重削弱了金刚石高热导率等特性的发挥，如何改进金刚石与铜等基体金属之间的润湿性和界面结合能力就成为金刚石复合深加工迫切需要解决的关键科学问题。本文对传统的金刚石合成块电解提纯技术进行研究，提出了一套高效经济的金刚石后续处理新工艺。同时针对金刚石难以复合的问题，提出了高活性金刚石的表面改性处理，研究了金刚石无甲醛化学镀铜及高温铜催化生长法表面包覆硼纳米线两种适合规模化应用的金刚石表面处理技术，为金刚石复合深加工提供了优质原材料。本文主要研究内容如下： 设计开发了一种新的从合成块中进行金刚石提纯用的电解液，由氯化铵，硼酸，柠檬酸，氯化钠和糖精钠组成，研究了电解液各组分在金刚石电解提纯过程中的作用，分析了各组分对阴极增重的影响规律，以及电解时的电流密度和电解液pH值的影响，获得了一个高效经济电解提纯金刚石用电解液及工艺：氯化铵15g/l，硼酸30g/l，柠檬酸25g/l，氯化钠15g/l，糖精钠10g/l，电流密度8A/dm2，pH值为5。观察提纯后的金刚石，晶型完整，表面干净，没有杂质，且电解后铁、镍等副产品回收率可达92%以上，提纯效率高。 采用化学镀方法在金刚石表面包覆金属铜，，化学镀溶液由硼氢化钠、硫酸铜、酒石酸钾钠、EDTA-2Na和亚铁氰化钾组成，化学镀以硝酸银替代昂贵的氯化钯，以硼氢化钠替代有毒的甲醛，在活化剂和还原剂使用方面具有新颖性。研究了溶液各组分和工艺条件温度、pH值对化学镀铜沉积速率、镀层晶粒、溶液稳定性等方面的影响，得到最佳镀液组成与工艺条件是：硼氢化钠1.5g/L，硫酸铜20g/L，酒石酸钾钠15g/L，EDTA-2Na20g/L，亚铁氰化钾65mg/L，双联吡啶15mg/L；溶液pH值13，反应温度60℃。采用体视显微镜观察化学镀后的金刚石，表面镀层均匀、紧凑、晶粒细小匀称，XRD和EDS分析镀层的结构与成分，表明金刚石表面是纯度较高的金属铜层。本工艺镀液稳定，反应温和，镀速可控，适合金刚石粉体材料的规模化处理。 采用高温铜催化生长法在金刚石表面生长硼纳米线，该方法是将金刚石、铜粉、硼粉均匀混合后在氢气气氛下进行热处理，在金刚石表面生长了长度为0.5～1.5μm，直径为20～100nm的硼纳米线。温度会显著影响硼纳米线形貌，当热处理温度为1090℃时获得的是硼纳米线，当温度为1110℃时硼生长为硼纳米方块，当温度为1130℃时硼纳米结构没有明显规律。除温度外，保温时间也是影响因素之一，温度为1090℃时若保温时间低于90min，不能获得硼纳米线，120min硼纳米线生长均匀，保温时间越长，硼纳米线越弯曲。金刚石、铜粉、硼粉的比例也会影响硼纳米线的生长，金刚石的比例低于60%时不能获得硼纳米线，在60%以上且铜粉、硼粉的质量比在2～4之间时均可以获得均匀的硼纳米线。硼纳米线的生长机制与金刚石的结构、铜液滴催化作用、硼在金刚石内的低固溶度和在铜液滴内自由传输等因素有关，金刚石能够固溶硼但固溶度很小，硼容易在金刚石表面达到饱和，再在铜液滴的催化作用下于界面结合处形成形核点，硼原子穿过铜液滴到达形核位置，最终长成硼纳米线。金刚石表面生长硼纳米线后具有更高的表面活性，无需敏化、活化就能够进行化学镀铜，且铜包覆完整、致密。
[Abstract]:Diamond as a limiting functional material is widely used in many fields such as metal cutting , semiconductor chip packaging , microwave device , optical window , etc . A new electrolyte for purification of diamond from synthetic block was designed and developed . It was composed of ammonium chloride , boric acid , citric acid , sodium chloride and sodium saccharin . The effect of each component on the electrolysis and purification of diamond was studied . The effect of various components on the electrolysis and purification of diamond was studied . The electrolyte and the process of electrolysis were studied . The electrolyte and the process were obtained : 15 g / l of ammonium chloride , 30 g / l of boric acid , 25 g / l of citric acid , 15 g / l of sodium chloride , 10 g / l of sodium saccharin , 8 g / dm of current density , 15 g / l of sodium chloride , 10 g / l of sodium saccharin , 10 g / dm of current density , no impurity , and the recovery rate of iron , nickel and other by - products after electrolysis was over 92 % , and the purification efficiency was high . The chemical plating method is used to coat the metal copper on the surface of the diamond . The chemical plating solution is composed of sodium borohydride , copper sulfate , potassium sodium tartrate , EDTA - 2Na and potassium ferrocyanide . The optimum plating solution composition and process conditions are as follows : sodium borohydride 1.5g / L , copper sulfate 20g / L , potassium sodium tartrate 15g / L , EDTA - 2Na20g / L , potassium ferrocyanide 65mg / L , bipyridyl 15 mg / L , solution pH value 13 and reaction temperature 60 鈩

本文编号：1536707