[发明专利]单晶金刚石颗粒细粉及其制备方法

说明书

发明领域

本发明涉及由细分的单晶金刚石颗粒组成的粉末，以及特别是，尤其适于在高精度加工处理中使用的磨料粉末。本发明还涉及制备这样的粉末的方法。

背景技术

随着高精度加工技术的发展，金刚石磨料的需求已经转向愈加小的颗粒尺寸，到了在某些情况下要求1的表面粗糙度的程度。曾经制备的用于磨蚀应用的最小的金刚石颗粒是由大量的二次颗粒组成的“爆轰”类型，二次颗粒是平均5-10nm的较小的一次颗粒的团聚。观测到在爆炸物不完全燃烧的工艺中合成的这种类型的金刚石在晶体中有大量的缺陷，并且，当通过透射电子显微镜(TEM)观察时，由于生长期太短在微秒的数量级，它们通常显示相当圆的外观。

如上所述，在爆轰技术中生产的单个金刚石颗粒非常小和从而具有非常活跃的表面。它们容易团聚形成二次颗粒，通过非金刚石碳或者从合成过程和气氛中进入的其它物质稳固结合。因此这种类型的金刚石明显的表现为具有100nm或者更大尺寸的团聚颗粒。还有已知可以在严酷的酸处理中将这样的二次颗粒瓦解为一次颗粒。

在基于通过化学爆炸或爆轰提供能量的急剧压缩的技术的产品中，通常已知的是通过在由化学爆炸能量产生的极端高压下从石墨转化制备的DuPont多晶型金刚石。这种类型的金刚石也是二次颗粒结构：因此在转化过程中通常具有20-30nm尺寸的一次颗粒在超过30GPa的急剧压缩下部分融合并彼此结合，捕获了一些留下未用的石墨。由稳固结合的100nm或者更大的二次颗粒组成的DuPond金刚石也同样地表现；但是，这种类型即使在严酷的酸处理中也不能被瓦解。TEM显微镜显示一次颗粒不显示自形表面而是表现稍微球状的总体外观，其被认为是有限转化期的证据。

上述方法的任一个对自形晶体的制备都是不足的，对于碳的低压相初始材料的压缩，由于它们依赖化学爆轰，如果其程度极高，仅持续微秒量级的时间，持续时间太短使得产品不能生长为这种期望的具有尖锐边沿和点的磨料颗粒。因此当用作磨料时，两个技术的几乎没有尖锐边沿或点的金刚石产品不足于获得有效研磨速度，即使磨料根据一次颗粒的这样小的尺寸留下细抛光痕迹。

另一方面，静态压缩技术能够通过在待应用的适当选择的压力、温度和时间参数下运行，以控制金刚石产品的例如形状、硬度和脆度的性能。此外，如此制备的金刚石晶体可以通过采用钢珠的冲击式研磨容易地破碎为非常细的颗粒。

在TEM显微镜下观察到，大多数具有几十纳米尺寸的这种细颗粒是自形的并具有尖锐边沿，这是由于大多数基于金刚石晶体的解理发生的破碎工艺。在有些情况下，甚至有具有大约5nm侧边的扁平三角形断片。

发明人发现，在微-破碎和精确分级适当结合的工艺中，可以制备非常细的粉末或者大量非常微小的单晶金刚石颗粒。基于这种发现，我们开发了制备100-50nm D₅₀金刚石粉末的技术，对此我们提交了专利申请(在日本2002-035636中公开)。

在发明中，处理的是通过上述的冲击破碎而尺寸减小的单晶金刚石颗粒。如此破碎的颗粒通常具有尖锐的边沿和点，以致它们常常包括具有作为众所周知的在(111)面的解理的的扁平的、规则三角形的颗粒的。

为了本发明的破碎，可利用的技术例如使用钢球的球磨的简便的工序，而振动式磨机和行星式磨机可以负荷更大的冲击。优选的破碎介质是钢球，因为它们具有足够高的密度。也可以使用粗金刚石颗粒，以将来源自介质材料的污染减到最少。

首先用化学制品处理从破碎机取出的金刚石颗粒，以通过溶解除去在工艺中已经混合的破碎介质的残余。然后对金刚石颗粒施以淘析和离心结合的分级处理。在两个工艺中使金刚石颗粒保持悬浮并在水中处理，颗粒在表面对水具有亲合力是需要的，以保持稳定悬浮。

为此目的，表面氧化处理是有效的，由此氧化金刚石颗粒以在表面上附着例如氧或者含氧基团的亲水原子，如羟基、羰基和羧基。为了表面氧化，虽然在空气中加热到300℃或者更高可提供一定的效果，更可靠的工艺可以由湿法工艺组成，其中在包含选自硫酸、硝酸、高氯酸和过氧化氢的一种和选自高锰酸钾、硝酸钾和氧化铬的一种两者的浴中处理金刚石。

为了制备金刚石颗粒在水中的良好悬浮，将共存在水中的离子的总的浓度最小化并同时在足以建立良好悬浮的范围内调节表面电位是必要的。已知在弱碱性条件中，金刚石颗粒通过排斥彼此在颗粒表面上的电荷保持悬浮，因此调节氢离子浓度和Zeta电位在适当的范围内是必要的，其分别是在pH7.0和10.0之间和-40mV和-60mV之间。