中國粉體網訊 金剛石因其超高硬度、卓越的耐磨性以及出色的熱導率等優異性能，在眾多工業領域備受青睞。然而，金剛石的化學惰性較強，表面能較高，致使其與金屬或其他基體材料的浸潤性欠佳，在實際應用時難以充分發揮其性能優勢。放電等離子燒結（SPS）法作為一種新興的材料制備技術，其具有升溫速度快、燒結 溫度低、燒結時間短和致密度高等優點，為金剛石鍍覆難題提供了創新的解決方案，近年來成為材料科學領域的研究熱點。
放電等離子燒結法原理
SPS技術的核心原理在于利用脈沖電流通過粉末顆粒間隙時產生的放電等離子體。當脈沖電流瞬間釋放，在顆粒接觸點附近形成局部高溫，溫度可在極短時間內飆升至上千攝氏度，同時產生強烈的等離子體放電。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。對于金剛石而言，其表面原本穩定的原子結構被等離子體沖擊，化學鍵部分斷裂，表面能態發生改變，形成眾多活性位點，極大地增強了對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，變得易于流動與沉積，從而為在金剛石表面均勻鍍覆創造了有利條件。
放電等離子燒結示意圖
放電等離子燒結法金剛石鍍覆工藝流程
原料準備與預處理：根據不同需求選定鍍覆金屬，工業刀具鍍覆常選鎳，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，利用銅的超高熱導率；硬質合金刀具常用鈷與金剛石搭配，借助鈷對金剛石的潤濕性及強化相特性。對金屬粉末預處理，先經干燥去除水分，防止SPS過程水汽影響鍍層質量；再球磨細化粉末，改善顆粒形貌與粒度分布，如球磨后的鎳粉粒度更均勻，利于形成光滑連續鍍層。
模具組裝與裝料：模具材質優先選用石墨，利用其優良導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高溫環境。依據SPS設備腔體設計模具結構，如針對圓柱形設備設計同心圓柱狀石墨模具，保障壓力均勻施加，規避局部應力集中造成金剛石破碎或鍍層不均。
燒結與鍍覆：對于電流與電壓參數而言，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這個區間靈活調整，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大致使材料局部出現過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間的時長，進而降低其石墨化發生的可能性。保溫溫度的設定依賴于鍍覆材料自身熔點以及合金相圖。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燒結裝置（a）外部（b）內部示意圖
鍍覆層性能特點
（一）結合強度
SPS法制備的金剛石鍍覆層與金剛石基底呈現出卓越的結合強度。微觀層面，鍍覆金屬原子與金剛石表面經等離子體活化后形成化學鍵合，如鎳原子與金剛石表面的碳元素生成金屬碳化物過渡層，經拉伸測試，結合力較傳統化學鍍提高30%-50%，在刀具高速切削時鍍層牢固附著，有效抵御切削力沖擊，大幅延長刀具使用壽命。
（二）致密性
鍍覆層具有極高的致密性。SPS過程中，脈沖電流驅動金屬原子高速擴散填充孔隙，鍍層孔隙率可低至5%以下，遠優于傳統電鍍的15%-20%。在電子封裝的高濕度環境應用時，致密鍍層宛如密封鎧甲，阻擋水汽侵蝕金剛石，確保其熱導率穩定，維持電子元件散熱效能。
（三）厚度均勻性
得益于SPS設備均勻的電場與溫度場，鍍覆層厚度均勻性出眾。在復雜形狀的金剛石顆粒鍍覆時，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，保障工具各部位耐磨性能一致，提升加工精度與表面質量一致性。
應用領域
（一）超硬材料刀具
在金屬切削刀具領域，SPS法鍍覆金剛石刀具切削性能卓越。加工高強度合金鋼時，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。在汽車發動機關鍵零部件制造中，鍍覆金剛石刀具精準切削復雜曲面，確保尺寸公差達±0.01mm，表面粗糙度Ra低至0.2μm，大幅提升生產效率與產品質量。
（二）電子封裝
在電子封裝行業，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率超600W/(m・K)，較傳統鋁基板提升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行下穩定工作，顯著提升系統可靠性與使用壽命。
2024年12月24日，中國粉體網將在河南·鄭州舉辦“2024半導體行業用金剛石材料技術大會”。屆時，我們邀請到河南建筑材料研究設計院教授級高工邊華英出席本次大會并作題為《SPS法金剛石鍍覆研究進展》的報告，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展。
個人簡歷：
邊華英，女，正高級工程師，磨料磨具行業專家委員會委員、工業陶瓷行業標準化技術人員、河南省硅酸鹽學會第六屆理事會常務理事，中國機械工程學會會員。近年來主要從事陶瓷材料、新型磨料磨具、金剛石磨料鍍覆技術研發工作，參與一些標準的制修訂工作，任河南省新型建材工程技術研究中心副主任，獲聘為景德鎮陶瓷大學、華北水利水電大學、河南理工大學兼職碩士生導師，被聘為平頂山職業技術學院汝瓷學院客座教授。
參考來源：
李灝博：放電等離子燒結制備金剛石/銅復合材料及性能研究
趙佩佩：SPS合成金剛石及其原位自生增強鐵鎳基復合材料的研究
丁超等：放電等離子燒結法制備金剛石/六方氮化硼復合陶瓷及其力學性能研究
（中國粉體網編輯整理/留白）
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