[发明专利]一种提高CVD单晶金刚石硬度及韧性的方法

说明书

本发明公开了一种提高CVD单晶金刚石硬度及韧性的方法，属于金刚石材料领域。所述方法包括采用微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)或者热丝化学气相沉积(HFCVD)或者直流电弧等离子喷射(DC Arc Plasma Jet CVD)来生长单晶金刚石时，间断性地通入氮气或者氮气和氧气的混合气体或者含硼气体。通过不同掺杂层金刚石的交替生长，实现纳米多层化界面结构的增强和增韧效应。通过上述方法生长的CVD单晶金刚石与非掺杂生长的CVD单晶金刚石相比，维氏硬度提升了5％‑25％，断裂韧性提升了4％‑56％。应用本发明所生长多层化的CVD单晶金刚石的硬度和韧性都得到了显著提高。

技术领域

本发明涉及微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)无机材料力学性能技术领域，尤其涉及一种提高CVD单晶金刚石硬度及韧性的方法。

技术背景

金刚石是最硬的天然材料，具有显著的硬度和耐久性，应用于机械、生物医药、电子和光子应用中。金刚石具有超高的硬度和稳定性，但是如果使金刚石变形将会导致脆性断裂。由于金刚石较差的可变形性和相对高的脆性，导致金刚石的机械性能差，金刚石的这些局限性激发人们去研究金刚石超大弹性变形的机理。

通过微波等离子体化学气相沉积方法合成单晶金刚石的出现，为单晶金刚石的应用打开了一个广阔的局面。生长的CVD层具有高的断裂韧性，在高温高压热处理后具有极高的断裂韧性和异常高的强度。热处理的出现引入了一种硬化CVD单晶金刚石的新颖的方法。

在CVD单晶金刚石中掺入硼，能够在不影响其高硬度(～78GPa)的前提下能够显著增强其断裂韧性。硼较容易掺杂进金刚石，但当有氮时，硼掺杂受到抑制。光谱测试结果证实硼和氮共存于金刚石结构中，这解释了金刚石断裂韧性增强的原由(Q.Liang,C.S.Yan,Y.Meng,J.Lai,S.Krasnicki,H.K.Mao,R.J.Hemley,Enhancing the mechanicalproperties of single-crystal CVD diamond,Journal of Physics:Condensed Matter,21(2009)364215.)。对于单晶金刚石纳米针，最大的拉伸应变(9％)，达到了理论弹性应变，并且最大的拉应力达到～89GPa到98GPa(A.Banerjee,D.Bernoulli,H.Zhang,M.F.Yuen,J.Liu,J.Dong,...Y.Lu,Ultralarge elastic deformation of nanoscale diamond,Science,360(2018)300.)。该方法把金刚石针高强度和大的弹性应变归因于低的缺陷密度和相对光滑的表面。该发现提供了一种优化金刚石纳米结构的方法，该方法从样品加工到应用都具有一定的难度。控制金刚石的显微结构能进一步的提高其强度和硬度。高温低压热处理能够在不损失金刚石断裂韧性的前提下，将金刚石本征硬度提高两倍。掺杂和金刚石的后处理，可作为增强金刚石机械性能方面的新的技术应用。

金刚石单晶作为微加工刀具韧性的提高成为进一步提高刀具使用性能的关键，在提高硬度的同时，提高其韧性极为重要，并且能够显著提升CVD单晶金刚石的力学性能，因此进行了本发明创造。

发明内容

本发明的目的是提供一种提高CVD单晶金刚石硬度及韧性的方法，所述方法包括采用微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)或者热丝化学气相沉积(HFCVD)或者直流电弧等离子喷射(DC Arc Plasma Jet CVD)来生长单晶金刚石时，间断性地通入氮气或者氮气和氧气的混合气体或者含硼气体。通过上述方法生长的CVD单晶金刚石与非掺杂生长的CVD单晶金刚石相比，维氏硬度提升了5％-25％，断裂韧性提升了4％-56％。应用本发明所生长的CVD单晶金刚石的硬度和韧性都得到了显著提高。

本发明采用的技术方案是：

一种提高CVD单晶金刚石硬度及韧性的方法，其特征在于：