《Diamond and Related Materials》：Preparation and high-temperature properties of Cr-coated diamond fabricated by spark plasma sintering
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鉆石強化復合材料面臨界面相容性挑戰，因金剛石表面與金屬基體潤濕性差導致界面結合弱和熱傳導效率低。本研究通過火花等離子體燒結（SPS）在800-900℃范圍內制備Cr涂層，提升界面結合強度與高溫性能。微觀結構分析表明，800℃形成不連續Cr涂層，850℃出現連續包覆層，900℃涂層增厚并伴隨微裂紋，源于熱膨脹系數失配。熱力學計算顯示Cr?C?生成自由能低于Cr?C?。優化Cr涂層使金剛石氧化起始溫度提高27℃，增強高溫穩定性。該研究為金剛石表面改性及高性能復合材料開發提供理論依據與實踐策略。
潘亞飛|孫啟飛|徐鵬|戴振宇|謝思瑤|史少亮|陳家榮|陳超|羅鳳華|譚曉月
合肥工業大學材料科學與技術學院，中國合肥，230009
摘要
由于金剛石表面與金屬基體之間的潤濕性較差，金剛石增強復合材料面臨顯著的界面兼容性問題，這嚴重影響了界面結合的完整性和熱傳遞效率。本研究提出了一種通過火花等離子燒結（SPS）在金剛石顆粒上制備Cr涂層的先進方法，旨在提高界面粘附力和高溫性能。通過將SPS熱處理溫度調整在800–900°C范圍內，系統地研究了Cr涂層的形態、相組成和熱穩定性的變化。微觀結構表征顯示，Cr涂層的微觀結構發生了明顯變化：在800°C時觀察到不連續的Cr涂層，而在850°C時轉變為連續的貼合層。進一步將溫度升高到900°C會導致Cr涂層變厚，并伴隨由熱膨脹系數不匹配引起的熱機械應力而產生微裂紋。在900°C下制備的Cr涂層厚度約為475至993納米。XRD、XPS和TEM結果證實了Cr涂層的形成過程遵循Cr7C3 → Cr3C2的機制。熱力學分析表明，Cr7C3的形成自由能低于Cr3C2。優化的Cr涂層使金剛石的氧化起始溫度提高了27°C，從而提高了其高溫穩定性。本研究為金剛石表面改性及高性能復合材料的開發提供了重要的理論見解和實用策略。
引言
金剛石因其卓越的物理性能而廣受認可，包括目前已知最高的硬度（超過80 GPa）[1] [2]和極高的熱導率（約2000 W·m?1·K?1）[3] [4]，使其成為用于耐磨工具（例如砂輪和切削刀片）[5] [6] [7]以及熱管理應用[8] [9] [10]的先進復合材料的關鍵材料。例如，金剛石增強銅或鋁復合材料[11] [12]顯著提高了激光二極管和5G基站等設備中的散熱效果，其中高效的熱調節至關重要。高熱導率和低熱膨脹系數的結合確保了在嚴苛的熱循環條件下的尺寸穩定性[13] [14] [15]，這對于包括固態微波設備和高功率晶體管散熱器在內的高功率電子系統的可靠性至關重要。此外，金剛石增強的金屬基[16] [17]和碳化物基[18]復合材料在加工硬而脆的材料（如石材、陶瓷和玻璃）時表現出出色的綜合性能，其使用壽命在苛刻條件下明顯優于傳統工具。
然而，金剛石表面的惰性導致其與大多數金屬基體（例如Cu、Al）的潤濕性較差，從而導致復合材料中界面結合力弱和顆粒過早脫落[19]。為了解決這個問題，已經開發了表面金屬化技術——如無電鍍、熔鹽涂層和高溫擴散——在金剛石顆粒上形成金屬層（例如Cr、Ti、W）[20] [21] [22]。這些涂層形成了碳化物過渡層（例如Cr?C?、TiC），從而增強了界面粘附力和熱傳導性，但傳統方法通常需要高溫（>1000°C）[23]或長時間處理，這可能導致金剛石石墨化并降低性能。
火花等離子燒結（SPS）通過結合脈沖直流電和單軸壓力提供了一種變革性的方法，實現了快速、低溫的擴散結合[24]。與傳統燒結不同，SPS產生了局部的等離子體激活和焦耳加熱，可以在比傳統方法低100–200°C的溫度下清潔顆粒表面并促進原子擴散[25]。這抑制了石墨化，并允許對界面反應進行精確控制，使得SPS特別適合于對金剛石等熱敏感材料的粉末改性和擴散涂層。
在這項工作中，我們提議使用SPS在金剛石顆粒上制備新型的擴散Cr涂層。該過程將在優化的SPS參數下進行，通過Cr粉末與金剛石顆粒之間的擴散反應形成界面層，從而提高金剛石的抗氧化性和高溫熱穩定性。基于熱力學分析，還將討論Cr涂層的形成機制，并建立其微觀結構與性能之間的關聯。
實驗程序
本研究使用的初始材料是純度為99.95%的鉻（Cr）粉末（粒徑≤10 μm）和直徑約為250 μm的合成單晶金剛石顆粒。Cr涂層是在火花等離子燒結（SPS）系統（LABOX-350，Sinterland，日本）上沉積在金剛石顆粒上的。Cr粉末和金剛石顆粒按體積比1:9稱重，放入塑料瓶中，在行星球磨機中混合5小時。
原始粉末分析
圖1a顯示了單晶金剛石顆粒的微觀形態，其特征是由六個矩形（100）面和八個六邊形（111）面組成的立方八面體結構。使用“Nano Measure”軟件測量，金剛石的平均粒徑為253.6 μm，如圖1b所示。
相表征
圖2顯示了在不同處理條件下制備的Cr涂層金剛石顆粒的XRD圖譜。在800°C下處理60分鐘得到的樣品的XRD圖譜為
結論
使用SPS方法在金剛石顆粒上制備了基于Cr的涂層。系統研究了SPS熱處理溫度對Cr涂層微觀結構和金剛石顆粒熱穩定性的影響。主要結論如下：
- (1)
在800°C時，金剛石表面仍有未覆蓋的區域。在850°C時，形成了連續的Cr涂層。在900°C時，涂層厚度顯著增加，但由于熱應力作用出現了微裂紋
作者貢獻聲明
潘亞飛：撰寫——原始草稿、研究、數據分析。孫啟飛：研究、數據分析、概念構思。徐鵬：驗證、研究、數據分析。戴振宇：研究、數據分析。謝思瑤：驗證、資金獲取。史少亮：監督、項目管理、概念構思。陳家榮：研究、資金獲取、數據分析、數據分析。陳超：撰寫——審稿與編輯。
利益沖突聲明
作者聲明以下可能被視為潛在利益沖突的財務利益/個人關系：譚曉月報告稱獲得了合肥工業大學的財務支持。如果還有其他作者，他們聲明沒有已知的財務利益或個人關系可能影響本文所述的工作。
致謝
本研究得到了廣西科學技術計劃項目（Guike AB25069376、Guike ZG2503980014）、國家重點研發計劃（2024YFE03260500）、中央高校基本科研業務費（資助編號JZ2024HGTB0199）以及高等教育學科創新計劃（B18018）的支持。
