溶胶凝胶法制备Al2O3－SiO2包覆金刚石的性能研究①

刘嘉霖，张旺玺，梁宝岩，韩警贤

（中原工学院 材料与化工学院，河南 郑州451191）

1 前言

金刚石工具因其超高的硬度和良好的磨削性能，已广泛应用于现代工业、军事、航空航天、医疗等领域。随着科技的不断进步，人们对金刚石工具性能的要求越来越高，尤其对金刚石超硬工具的使用性能要求更加苛刻。传统金刚石磨具在使用过程中存在一些明显的问题，例如磨粒过早脱落，高温氧化导致磨削效率降低等。这些问题大大增加了金刚石超硬工具的使用成本，制约了金刚石工具的发展。众所周知，金刚石是以饱和共价键形成的高度对称的共价键结构，具有极高的硬度和良好的耐磨性能［1］。但是金刚石的化学性质极不活泼，导致金刚石磨粒与结合剂及其他填料的结合力较低，在金刚石工具的制备过程中金刚石磨粒仅被机械地镶嵌在结合剂中，因此在使用过程中，磨粒容易过早脱落［2］。并且金刚石的抗氧化性能差，空气中600℃开始氧化失重，这些问题都是制约金刚石工具发展和使用的关键性问题。实践证明，在金刚石表面包覆一层金属或陶瓷是提高金刚石工具性能的有效的方法。目前人们研究较多的是金刚石表面镀覆金属，朱永伟［3］等人利用在金刚石表面镀钛提高了金刚石锯片的切割效率；万隆［2］等人通过浸渍法在金刚石表面包覆了一层纳米TiO2薄膜，并通过研究发现，涂膜后的金刚石要比未涂膜的金刚石抗氧化温度提高100℃。

为了提高金刚石与结合剂的结合强度，提高其使用时的耐热性能和抗氧化性，本研究采用一种Al2O3－SiO2陶瓷膜包覆在金刚石表面，并通过扫描电镜、红外光谱分析、DSC－TG、冲击韧性测试等手段对比表征包覆前后金刚石颗粒的性能。

2 实验部分

表1是本次实验所需主要的原料。本次实验以异丙醇铝和硝酸铝为铝源，正硅酸乙酯为硅源，利用溶胶－凝胶法制备Al2O3－SiO2溶胶。溶胶制备完成后，采用浸渍法将实验使用的金刚石颗粒浸泡于适量溶胶中并搅拌10min，把多余的溶胶吸出后，将金刚石颗粒放入恒温箱，在80℃温度下烘干10小时，最后利用马弗炉在空气中加热至650℃热处理，实验过程如图1所示。

表1 实验主要原料Table 1 The main experimental materials

图1 溶胶凝胶法制备Al2O3－SiO2溶胶包覆金刚石的流程路Fig.1 Flow chart for preparation of diamond particles coated by sol－gel processing

被包覆的金刚石颗粒经过热处理之后，需要用日本电子的JSM－6360LV扫描电镜对样品进行形貌分析；用德国耐驰NETZSCH STA 409PC／PG型热重－示差扫描量热仪在空气中升温至1000℃对样品进行热性能测试；用Nicolet IR200型傅立叶变换红外光谱仪对样品进行结构分析；采用CYCJ—91A型冲击韧性测定仪对样品进行机械性能测试。

3 结果与讨论

3.1 SEM分析

图2是金刚石颗粒表面形貌图。图2－（a）是未包覆Al2O3－SiO2金刚石的SEM形貌图，图2－（b）是包覆Al2O3－SiO2金刚石的SEM形貌图。通过分析可知，图2－（a）的金刚石颗粒晶型完整，棱角分明［4］；图2－（b）的金刚石颗粒经过热处理后表面被镀层完全包覆，且包覆层相对较致密，几乎没有裸露的金刚石。由于镀覆后的金刚石颗粒经过热处理，在热处理温度下Al2O3－SiO2结晶并生长，并在金刚石表面形成球状颗粒或突起。在金刚石超硬制品的制备中，Al2O3－SiO2镀层不仅与金刚石有较强的结合力，还与其他结合剂或者填料有良好的浸润性，用镀覆Al2O3－SiO2的金刚石磨料制备的金刚石制品在使用过程中，磨粒与金属基料结合力较强，能防止磨粒过早脱落，提高了金刚石制品的使用效率。

图2 金刚石颗粒表面形貌图Fig.2 SEM of the diamond

3.2 红外分析

图3是包覆Al2O3－SiO2的金刚石经650℃热处理后的红外光谱分析。图中3481cm－1处出现明显的吸收峰，主要是由金刚石表面吸附水和游离水中O—H的伸缩振动引起的。2021cm－1处的吸收峰主要是由于NO31－中N—O振动引起，1628cm－1处出现吸收峰，主要是因为H—O—H弯曲振动。1038cm－1附近出现的Si—O—Si反伸缩振动吸收峰和823cm－1附近出现的［AlO4］四面体的共振吸收峰，说明包覆层中出现了A l—O—Si—O—这样的键［5］，且经过热处理Al2O3－SiO2包覆层的晶相结构更加完整。

图3 包覆Al2O3－SiO2膜的金刚石经650℃热处理后的红外光谱分析Fig.3 The FTIR analysis of diamond with Al2O3－SiO2 film after 650℃heat treatment

3.3 热性能分析

图4－（a）（b）分别是金刚石颗粒的DSC／TG图谱。在图4－（a）中，曲线1、2分别是包覆Al2O3－SiO2的金刚石颗粒和未包覆Al2O3－SiO2的金刚石颗粒在空气中升温1000℃的DSC曲线。由图可知，曲线1在700℃～880℃范围内出现明显的的吸热峰，相对曲线2出现吸热峰的温度范围提高了100℃。图4－（b）中的曲线3、4分别是两组试样的TG曲线对比图，由图可知，曲线3在728℃时开始出现失重现象，失重状态的终止温度是851℃，失重率为88.5%，而曲线4在627℃时开始出现失重现象，终止温度为767℃，且失重率为98.4%。这是因为未包覆Al2O3－SiO2的金刚石颗粒表面与空气直接接触，高温下与空气中的氧发生氧化反应。而有镀层的金刚石颗粒表面由于镀层的保护，金刚石表面不与空气直接接触，故失重温度较高。对比图4－（a）（b）可知，包覆了Al2O3－SiO2的金刚石颗粒的耐热性和抗氧化性均有较大提高。且采用本实验方法包覆Al2O3－SiO2的金刚石颗粒的抗氧化性提高了100℃，失重率降低了10%。

图4 在空气中金刚石的热分析图谱Fig.4 The DSC－TG diagram of the diamond in air

3.4 冲击韧性

金刚石工具工作过程中主要承受磨削、冲击作用，所以金刚石磨粒的冲击韧性可以判定金刚石磨粒的机械性能及金刚石工具的质量［6］。本实验根据标准JB／T 10987－2010的相关要求进行。如表2所示，包覆Al2O3－SiO2的金刚石颗粒的冲击韧性相比未包覆Al2O3－SiO2的金刚石颗粒冲击韧性提高了2.2%。这是因为Al2O3－SiO2镀层完全包裹在金刚石表面，且Al2O3－SiO2陶瓷具有低热膨胀系数，受到冲击时吸收部分能量，从而保护了金刚石颗粒。将包覆了Al2O3－SiO2的金刚石颗粒用于制备金刚石制品，可提高金刚石工具的机械性能，延长金刚石工具的使用寿命。

表2 两种金刚石颗粒的冲击韧性测试Table 2 Test of the impact toughness of the coated and uncoated diamond

4 结论

溶胶－凝胶法制备的Al2O3－SiO2溶胶经过涂覆工艺可以包覆于单晶金刚石表面，通过SEM分析形貌发现，金刚石表面形成致密的包覆层，有利于提高金刚石与结合剂的粘结强度。经过热处理，金刚石表面的包覆层形成Al—O—Si—O—键，包覆层的结构更加完整。包覆了Al2O3－SiO2膜的金刚石的热性能提高了100℃，机械性能也有较大提高。

［1］段隆臣，胡国荣，等.金刚石表面化学镀Ni WB及其在高温下的热损伤特征［J］.金刚石磨料磨具与工程，2000，1（115）：5－8.

［2］胡伟达，万隆，等.溶胶－凝胶法在金刚石表面涂覆纳米TiO2薄膜［J］.湖南大学学报，2008，8（8）：55－58.

［3］朱永伟，张新明，等.金刚石表面镀钛对金刚石锯片性能的影响［J］.中国有色金属学报，2001，4（2）：258－262.

［4］Aiju Zhang，Zhihong Li，Yumei Zhu.Preparation and characterization of SiO2－Al2O3－Na2O glass coated cBN abrasive particles via sol－gel route［J］.journal of sol－gel science and technology，2009，（49）：6－11.

［5］李呈顺，张玉军，张景德.溶胶－凝胶法制备多晶莫来石纤维［J］.无机材料学报，2009，7（4）：849－852.

［6］李和胜，李木森.人造金刚石冲击韧性与晶体品质相关性的研究［J］.金属热处理，2007，32：458－461.