中國(guó)粉體網(wǎng)訊  金剛石因其超高硬度、卓越的耐磨性以及出色的熱導(dǎo)率等優(yōu)異性能，在眾多工業(yè)領(lǐng)域備受青睞。然而，金剛石的化學(xué)惰性較強(qiáng)，表面能較高，致使其與金屬或其他基體材料的浸潤(rùn)性欠佳，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)難以充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢(shì)。放電等離子燒結(jié)（SPS）法作為一種新興的材料制備技術(shù)，其具有升溫速度快、燒結(jié) 溫度低、燒結(jié)時(shí)間短和致密度高等優(yōu)點(diǎn)，為金剛石鍍覆難題提供了創(chuàng)新的解決方案，近年來(lái)成為材料科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

放電等離子燒結(jié)法原理

SPS技術(shù)的核心原理在于利用脈沖電流通過(guò)粉末顆粒間隙時(shí)產(chǎn)生的放電等離子體。當(dāng)脈沖電流瞬間釋放，在顆粒接觸點(diǎn)附近形成局部高溫，溫度可在極短時(shí)間內(nèi)飆升至上千攝氏度，同時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)烈的等離子體放電。這種等離子體具有極高的能量密度，能夠瞬間活化金剛石表面以及鍍覆材料粉末的原子。對(duì)于金剛石而言，其表面原本穩(wěn)定的原子結(jié)構(gòu)被等離子體沖擊，化學(xué)鍵部分?jǐn)嗔�，表面能態(tài)發(fā)生改變，形成眾多活性位點(diǎn)，極大地增強(qiáng)了對(duì)鍍覆金屬原子的吸附能力。從鍍覆材料角度看，金屬粉末顆粒在等離子體作用下，原子的擴(kuò)散速率大幅提升，表面原子掙脫原有晶格束縛，變得易于流動(dòng)與沉積，從而為在金剛石表面均勻鍍覆創(chuàng)造了有利條件。

放電等離子燒結(jié)示意圖

放電等離子燒結(jié)法金剛石鍍覆工藝流程

原料準(zhǔn)備與預(yù)處理：根據(jù)不同需求選定鍍覆金屬，工業(yè)刀具鍍覆常選鎳，因其耐腐蝕性良好、成本適中；電腦CPU散熱模塊的金剛石散熱片多采用鍍銅工藝，利用銅的超高熱導(dǎo)率；硬質(zhì)合金刀具常用鈷與金剛石搭配，借助鈷對(duì)金剛石的潤(rùn)濕性及強(qiáng)化相特性。對(duì)金屬粉末預(yù)處理，先經(jīng)干燥去除水分，防止SPS過(guò)程水汽影響鍍層質(zhì)量；再球磨細(xì)化粉末，改善顆粒形貌與粒度分布，如球磨后的鎳粉粒度更均勻，利于形成光滑連續(xù)鍍層。

模具組裝與裝料：模具材質(zhì)優(yōu)先選用石墨，利用其優(yōu)良導(dǎo)電性確保脈沖電流均勻貫穿粉末體系，以及出色耐高溫性能耐受SPS高溫環(huán)境。依據(jù)SPS設(shè)備腔體設(shè)計(jì)模具結(jié)構(gòu)，如針對(duì)圓柱形設(shè)備設(shè)計(jì)同心圓柱狀石墨模具，保障壓力均勻施加，規(guī)避局部應(yīng)力集中造成金剛石破碎或鍍層不均。

燒結(jié)與鍍覆：對(duì)于電流與電壓參數(shù)而言，脈沖電流的波形常選用矩形波或正弦波，其頻率能夠在10-100Hz這個(gè)區(qū)間靈活調(diào)整，保證金屬原子可充分完成活化并順利沉積到金剛石表面。電壓的調(diào)控緊密匹配電流大小以及材料自身電阻，既能保障等離子體正常生成，又能有效避免因電流過(guò)大致使材料局部出現(xiàn)過(guò)熱乃至燒蝕損壞的不良情況。在溫度與壓力控制方面，升溫速率大多把控在100-500℃/min，借助快速升溫的方式，能大幅縮減金剛石處于高溫區(qū)間的時(shí)長(zhǎng)，進(jìn)而降低其石墨化發(fā)生的可能性。保溫溫度的設(shè)定依賴于鍍覆材料自身熔點(diǎn)以及合金相圖。合適的壓力能讓粉末顆粒彼此緊密貼合，助力鍍層變得更為致密。

SPS燒結(jié)裝置（a）外部（b）內(nèi)部示意圖

鍍覆層性能特點(diǎn)

（一）結(jié)合強(qiáng)度

SPS法制備的金剛石鍍覆層與金剛石基底呈現(xiàn)出卓越的結(jié)合強(qiáng)度。微觀層面，鍍覆金屬原子與金剛石表面經(jīng)等離子體活化后形成化學(xué)鍵合，如鎳原子與金剛石表面的碳元素生成金屬碳化物過(guò)渡層，經(jīng)拉伸測(cè)試，結(jié)合力較傳統(tǒng)化學(xué)鍍提高30%-50%，在刀具高速切削時(shí)鍍層牢固附著，有效抵御切削力沖擊，大幅延長(zhǎng)刀具使用壽命。

（二）致密性

鍍覆層具有極高的致密性。SPS過(guò)程中，脈沖電流驅(qū)動(dòng)金屬原子高速擴(kuò)散填充孔隙，鍍層孔隙率可低至5%以下，遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)電鍍的15%-20%。在電子封裝的高濕度環(huán)境應(yīng)用時(shí)，致密鍍層宛如密封鎧甲，阻擋水汽侵蝕金剛石，確保其熱導(dǎo)率穩(wěn)定，維持電子元件散熱效能。

（三）厚度均勻性

得益于SPS設(shè)備均勻的電場(chǎng)與溫度場(chǎng)，鍍覆層厚度均勻性出眾。在復(fù)雜形狀的金剛石顆粒鍍覆時(shí)，如多面體異形金剛石用于珠寶打磨工具，各處鍍層厚度偏差控制在±5μm以內(nèi)，保障工具各部位耐磨性能一致，提升加工精度與表面質(zhì)量一致性。

應(yīng)用領(lǐng)域

（一）超硬材料刀具

在金屬切削刀具領(lǐng)域，SPS法鍍覆金剛石刀具切削性能卓越。加工高強(qiáng)度合金鋼時(shí)，相較于未鍍覆刀具，其切削速度可提升30%-50%，刀具耐用度提高2-3倍。在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零部件制造中，鍍覆金剛石刀具精準(zhǔn)切削復(fù)雜曲面，確保尺寸公差達(dá)±0.01mm，表面粗糙度Ra低至0.2μm，大幅提升生產(chǎn)效率與產(chǎn)品質(zhì)量。

（二）電子封裝

在電子封裝行業(yè)，鍍覆后的金剛石是理想散熱材料。在5G基站功率放大器模塊，鍍銅金剛石散熱基板熱導(dǎo)率超600W/(m・K)，較傳統(tǒng)鋁基板提升3-4倍，有效降低芯片工作溫度20-30℃，保障電子元件在高功率運(yùn)行下穩(wěn)定工作，顯著提升系統(tǒng)可靠性與使用壽命。

2024年12月24日，中國(guó)粉體網(wǎng)將在河南·鄭州舉辦“2024半導(dǎo)體行業(yè)用金剛石材料技術(shù)大會(huì)”。屆時(shí)，我們邀請(qǐng)到河南建筑材料研究設(shè)計(jì)院教授級(jí)高工邊華英出席本次大會(huì)并作題為《SPS法金剛石鍍覆研究進(jìn)展》的報(bào)告，邊華英教授將為您具體介紹SPS法金剛石鍍覆工藝和研究進(jìn)展。

個(gè)人簡(jiǎn)歷：

邊華英，女，正高級(jí)工程師，磨料磨具行業(yè)專家委員會(huì)委員、工業(yè)陶瓷行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)人員、河南省硅酸鹽學(xué)會(huì)第六屆理事會(huì)常務(wù)理事，中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)會(huì)員。近年來(lái)主要從事陶瓷材料、新型磨料磨具、金剛石磨料鍍覆技術(shù)研發(fā)工作，參與一些標(biāo)準(zhǔn)的制修訂工作，任河南省新型建材工程技術(shù)研究中心副主任，獲聘為景德鎮(zhèn)陶瓷大學(xué)、華北水利水電大學(xué)、河南理工大學(xué)兼職碩士生導(dǎo)師，被聘為平頂山職業(yè)技術(shù)學(xué)院汝瓷學(xué)院客座教授。

參考來(lái)源：

李灝博：放電等離子燒結(jié)制備金剛石/銅復(fù)合材料及性能研究

趙佩佩：SPS合成金剛石及其原位自生增強(qiáng)鐵鎳基復(fù)合材料的研究

丁超等：放電等離子燒結(jié)法制備金剛石/六方氮化硼復(fù)合陶瓷及其力學(xué)性能研究

（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/留白）

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