一种超高硬度孪晶金刚石的制备方法

本发明属于超硬金刚石材料制备，具体涉及一种喷射等离子体cvd生长结合超高温高压改性制备超高硬度孪晶金刚石的方法。

背景技术：

1、传统微波cvd多晶金刚石虽通过晶粒细化小幅改善韧性，但存在明显短板：其一，微波cvd沉积速率仅0.5～2μm/h，金刚石生长速率低，制备100μm以上厚金刚石层需要数百小时，生产周期长、制造成本高昂；其二，常规cvd多晶内部存在大量随机大角度晶界、纳米孔隙、层错与位错缺陷，晶界成为裂纹快速扩展通道，高温工况下晶界易发生石墨化，大幅降低材料耐磨、导热及结构稳定性。

2、单晶金刚石硬度高、导热性能优异，但存在解理脆性大、易开裂的缺陷；现有孪晶金刚石制备工艺复杂、可控性差，多依赖特殊碳源与极端制备条件。高密度孪晶金刚石凭借孪晶界的增韧、强化效果，兼具超高硬度与断裂韧性，是目前高端超硬材料的核心发展方向。针对现有技术缺陷，本发明提出全新工艺路线，利用直流电弧喷射等离子体cvd快速制备高密度缺陷多晶金刚石，再通过超高温高压诱导缺陷重构、孪晶相变，高效制备超高硬度孪晶金刚石材料。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种工艺简单、速率快、性能可控的超高硬度孪晶金刚石制备方法，解决单晶金刚石脆性大、易崩裂，普通cvd多晶金刚石缺陷多、耐磨导热差的问题；克服现有孪晶金刚石制备掺杂污染、生长速率慢、无法制备单晶复合结构、规模化成本高的缺陷；提供一套直流喷射等离子体cvd结合超高温高压的新工艺，依靠沉积层原生缺陷诱导无掺杂孪晶相变，获得高孪晶密度、低缺陷、强韧协同的超高硬度孪晶金刚石。

2、为实现上述目的，本发明制备方法具体步骤如下：

3、1）衬底的选取和预处理：选取(100)晶面iia型单晶金刚石，采用分级金刚石微粉机械抛光：依次使用10μm、3μm、0.5μm金刚石微粉逐级研磨，抛光后衬底表面粗糙度ra≤0.02μm，完全去除表面加工损伤层、划痕；分级超声清洗流程：丙酮超声15～30 min去除抛光粉与有机油污，无水乙醇超声15min溶解残留丙酮，再用去离子水重复超声清洗3次，单次10min；高纯氮气吹扫干燥后，100℃真空烘箱烘干30min。

4、2）采用直流电弧喷射等离子体cvd设备进行同质外延沉积：

5、沉积腔室气压为7～8kpa，甲烷浓度为0.1～30％，电流为100～300a，功率为50～150kw，衬底与等离子体源喷口距离为20～200mm，气体组成有ar、ch4和h2，ar流量为1～3slm，ch4流量0.1～0.2slm，h2流量为9～12slm，衬底温度控制在800～900℃。

6、沉积产物：单晶金刚石表面生成厚度10μm～1mm多晶金刚石沉积层；沉积层晶粒尺寸50～300nm，层错密度≥108cm-2，位错密度≥107cm-2，内部富含晶界、纳米孔隙等高密度原生缺陷，整体处于热力学亚稳态。

7、超高温高压孪晶改性：将样品置于腔体，设定压强10～15gpa、温度1500～1850℃，保温保压5～15min，随后缓慢降温卸压，完成大部分缺陷消除与孪晶转化。

8、优选地，步骤1）中，烘干后的单晶金刚石可用氢气等离子体刻蚀5～10min，温度为700~1000℃，进一步除去杂质，活化衬底表面，缩短沉积初期的形核诱导期，促进沉积速率提升，提升沉积层与单晶基底界面结合力。但要注意氢刻时间不能过长，反而会影响沉积速率。

9、制备所得产品为单晶-孪晶复合金刚石，表层为均匀{111}高密度孪晶结构，无明显多晶晶界，材料硬度与韧性较普通cvd金刚石大幅提升。

10、本发明技术原理如下：

11、直流电弧喷射等离子体电离强度远高于微波cvd，甲烷碳源在高能直流等离子体中充分裂解，生成大量高能碳氢活性基团；利用喷射等离子体cvd生长速率快、沉积缺陷密度高的特点，在单晶金刚石衬底上同质生长多晶高缺陷金刚石层；大量原生缺陷作为孪晶优先形核位点，为后续超高温高压孪晶转变提供充足结构驱动力。该高缺陷结构处于热力学亚稳态，在超高温高压条件下，内部缺陷发生重构，同时诱导金刚石沿{111}晶面发生择优孪晶相变，最终形成结构稳定、性能优异的高密度孪晶金刚石层，保留单晶基底的完整性，形成高性能复合结构。该方法不仅提高了金刚石的硬度和沉积速率，还通过独创的工艺组合制备出孪晶金刚石，能耗显著下降，后续处理简单可直接用于刀具，高精度切削工具的制造。

12、本发明的优点如下：

13、（1）工艺创新:采用喷射等离子体快速生长高缺陷多晶金刚石与超高温高压孪晶化的全新组合工艺，区别于传统单一生长、单一改性工艺，独创性强。

14、（2）性能优异：利用高密度缺陷诱导孪晶相变，制备的孪晶金刚石结构致密、缺陷少，同时保留单晶基底的高稳定性，兼顾高硬度与高韧性。

15、（3）效率高、成本低：直流喷射等离子体cvd生长速率远高于传统微波cvd，大幅缩短制备周期，适合规模化生产。

16、（4）用途广泛：通过调控孪晶层厚度，可分别适配超精密有色金属切削刀具、超高温高压耐磨密封件、半导体高热流散热基板、极端环境光学窗口、高压传感器窗口等多类高端领域、半导体加工等多类高端领域。

1.一种超高硬度孪晶金刚石复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤s1中，所述单晶金刚石衬底为iia型或ib型金刚石，晶面取向为(100)晶面。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤s2中，所述喷射等离子体化学气相沉积为电弧喷射等离子体cvd，沉积多晶金刚石的条件为：沉积腔室气压为7～8kpa，甲烷浓度为0.1～30％，电流为100～300a，功率为50～150kw，衬底与等离子体源喷口距离为20～200mm，气体组成有ar、ch4和h2，ar流量为1～3slm，ch4流量0.1～0.2slm，h2流量为9～12slm，衬底温度控制在800～900℃。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤s2中，生长得到的多晶金刚石沉积层内部含有晶界、位错、层错高密度缺陷，沉积层厚度为5μm～30μm。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤s3中，超高温高压处理参数为：压强10～15gpa，温度1500～1850℃，保温保压时间5～45分钟。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤s3中，经超高温高压处理后，多晶金刚石层转化为以{111}为孪晶面的高密度孪晶结构，无明显多晶晶界残留。

7.一种单晶-孪晶复合金刚石材料，其特征在于：由权利要求1-6任一项所述方法制备得到，所述材料底层为单晶金刚石衬底，表层为超高硬度孪晶金刚石层。