[发明专利]一种无晶种精细单晶金刚石微粉的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及金刚石制造技术领域，尤其涉及一种无晶种精细金刚石单晶微粉的制备方法。

背景技术

金刚石微粉通常指粒度在0.1μm～54μm之间的金刚石颗粒，小于5μm的又称为精细微粉。金刚石微粉主要用于工件表面的超精密光整加工——研磨及抛光工序中。随着电子技术的发展，对各类光电子晶体、计算机硬盘基片、光学元器件及半导体集成电路硅片等精密器件抛光的需要日益增多，为了满足这些精密器件的加工要求，对金刚石细微粉的需求越来越多，同时也对金刚石微粉的晶形、均匀性以及机械性能提出了更高的要求，以达到高效率、高精度的研磨和抛光要求。因此，研究优质高品级金刚石微粉的生长工艺，提高金刚石微粉的合成技术水平已成为人造金刚石行业关注的焦点。

利用静压法制备的颗粒金刚石的粒度一般大于38μm，由于此方法的金刚石形核率低而生长速率又过快，导致细颗粒的金刚石很难形成，目前人造金刚石微粉绝大部分(90％以上)是采用机械粉碎法加工而成，在国外还有少量金刚石微粉是采用爆炸法生产的。粉碎法是指以两面顶、六面顶静态高压高温设备制造的粗粒度金刚石为原料，经过球磨破碎、粉碎等工序加工成粒度为0.5～54μm的金刚石微粉，其粒度大小可以通过粉碎工艺得到控制。但机械粉碎法的制备工艺极其繁琐，提纯及粒度筛选工作耗时较长，生产效率受到严重制约。更为重要的是，此方法得到单晶形态主要取决于破碎粉碎工艺，因此颗粒晶形差、晶面不完整、棱角尖锐，并且针、片状颗粒也难以消除，上述这些缺点都直接影响被加工件的表面质量，尤其难以满足精密产品的抛光要求。动态高压法(又称爆炸法)制备金刚石微粉是指利用TNT(三硝基甲苯)和RDX(黑索金)等烈性炸药爆炸后所产生的强烈冲击波作用于石墨，在几微秒的瞬间得到几十万个大气压和几千度的高温，使石墨转变为金刚石，其合成粒度一般可控制在0.01～50μm之间。爆炸法合成的微粉呈多晶体结构，虽然没有粉碎法单晶颗粒的尖锐棱角，但品级纯度较低，多晶颗粒的比表面积比同粒度单晶颗粒大3倍左右，其表面更容易吸附杂质，形成的金刚石粒度差异也较大，因而微粉的回收处理和提纯分选更为困难，且爆炸法金刚石的转化率极低，生产效率受到限制。

上世纪80年代初，日本学者Setaka、Matsumoto等人首次报道在低压条件下采用化学气相沉积(英文Chemical Vapor Deposition,CVD)法在异质材料表面上生长出金刚石膜。随后，在世界范围内掀起金刚石膜的研究热潮，经过近三十年的努力，金刚石膜沉积工艺得到长足进步。自从CVD金刚石合成技术出现以来，研究领域一直试图利用此项技术，合成高品级优质晶形的单晶金刚石，并已经取得不少成绩。与高温高压法(英文high temperature-ultra high pressure process，缩写为HPHT)法相比，CVD法制备的金刚石具有以下显著优势：①CVD法制备的金刚石纯度高，杂质和缺陷极少。在CVD法中，只要使用高纯度气体，原则上就能生长高纯度金刚石。②CVD制备的金刚石晶形优良。CVD生长的单晶金刚石通常具有完整的晶形以及光滑的自形面，可合成晶面清晰、晶形突出的立方单晶结构。③CVD设备相对简单、耗能低、合成工艺简单并易于控制、运行成本低。CVD金刚石合成的方法虽然很多，但除了传统的热丝化学气相沉积(英文Hot Filament CVD,缩写为HFCVD)法、微波等离子化学气相沉积(英文Microwave Plasma CVD,缩写为MPCVD)法、直流电弧等离子喷射化学气相沉积(英文DC arc Plasma Jet CVD,缩写为DPJCVD)法以外，其他CVD法还远未达到实用化的稳定程度。其中，热丝化学气相沉积(HFCVD)法因设备简单、易于控制、沉积面积大且合成金刚石质量较好而倍受青睐，已成为CVD金刚石合成产业化的主攻方向。

经对现有技术的文献检索发现，台湾KINIK公司在《Diamond and Related Materials》期刊上发表的《The CVD growth of micro crystals of diamond》文献中记载了一种利用HFCVD金刚石设备合成无籽晶金刚石单晶颗粒的方法，该方法以无氧铜为衬底，在无金刚石晶种的条件下，通过控制热丝与衬底之间的距离，实现了6-7μm晶形良好的超细颗粒金刚石的制备，然而其忽略了碳源浓度、反应压力、偏流强度对CVD无籽晶金刚石单晶颗粒生长的影响，使得合成的单晶颗粒存在晶格畸变等晶形质量问题，并且对于如何实现不同粒度无籽晶金刚石单晶微粉的制备以及颗粒如何无损收集都未能提出有效的解决途径。

发明内容