電鑄金剛石—鎳復合微觀組織結構分析

摘要：本文首先介紹了多晶體微觀組織觀察和晶粒大小的X射線衍射法測量原理；繼而對測試方法中試樣、鎳多晶體應力的測量程序進行初步的闡述分析。

關鍵詞：金剛石—鎳復合膜 微觀組織結構 X射線衍射法

本文通過試驗研究，對脈沖電鑄鎳錳合金的微觀組織結構進行了分析。電鑄是通過在電解槽中的陰極芯模上電沉積金屬而制取零部件的一種特種加工工藝，它在航空航天、兵器、模具及微機械制造等方面有很好的應用。復合鍍層是用電沉積或化學鍍的方法使金屬與固體微粒共沉積于基體材料表面而獲得的表層復合材料。復合電鍍具有制備溫度低、設備簡單、產品多樣、表面性能優越等特點。電鑄金剛石-鎳復合膜屬于超硬材料復合電鍍，此項技術涉及到電化學、材料科學、薄膜科學等諸多學科。

通過化學鍍或者電沉積的方法，使固體微粒與金屬附著于機體表面所得到的表層復合材料就是復合鍍層，電鑄金剛石-鎳復合膜就是借助低應力電鍍液，通過電鍍的方法所制造出的一種厚度極薄、硬度極高的復合膜，可以作為制作超薄切割刀具的材料，廣泛應用于電子芯片、微電子電子器件等高科技電子產品的切割。復合鍍層中晶粒大小以及微觀應力直接決定著這種切割工具的密度、硬度以及精準度，所以對鍍層中晶體大小以及微觀應力進行深入分析研究，對高質量的電鑄金剛石—鎳復合膜的制作具有重要的現實應用價值。

1 微觀應力和晶粒大小的X射線衍射法測量原理

以存在范圍為劃分標準，多晶體應力可以分為宏觀應力、微觀應力以及超微觀應力，其中，宏觀應力存在于較大區域內，主要影響著X射線衍射線的位置移動；微觀應力存在于晶粒中，主要影響著X射線衍射線的寬度；超微觀應力則存在于更小的滑移面、晶界等區域，主要影響著X射線衍射線的強度。

多晶體衍射線寬度包括幾何寬度和物理寬度，其中，幾何寬度由光闌、光源、儀器設備等決定，可以由標準試樣的線譜寬度來測定幾何寬度的大小；物理寬度則和試樣的物理狀態相關，晶體細化和顯微畸變會導致射線線譜的寬化，同樣，在金剛石—鎳復合膜的電鑄過程中的晶體細化和顯微畸變也會導致射線線譜的寬化，因此，我們可以借助分析衍射線譜的線形測定晶粒大小和微觀應力。

其一，線譜寬度與晶粒大小。當晶粒尺寸在一百納米以下時，只有極少數的晶粒晶面參與相同布拉格方向反射，在布拉格角與入射角不完全符合時，由于一定強度衍射的存在，就會導致衍射線譜的寬化，這種譜線寬度的變化是由布拉格發射所引起的，取常數1與X射線波長的乘積做分子，晶粒尺寸與布拉格角度的余弦值做分母，所得的商就表示晶粒細化后的譜線寬度。

其二，譜線寬度與微觀應力。由于微觀應力的存在，晶粒的點陣參數會存在個體差異，當晶面間距比正常數值大時，晶粒反射的布拉格角會變小，而當晶面間距比正常數值小時，晶粒反射的布拉格角會相應增大，一系列位置發生變化的反射線共同構成了存在微觀應力的晶體試樣的X反射線，此時X射線衍射線的寬度變寬是由晶面間距發生變化所導致的。晶粒點陣參數的方向和大小是隨機產生的，因此衍射線的峰位基本不會發生變化。常數1與X射線的積是布拉格角度的正弦值與晶面間距乘積的兩倍。同族晶面衍射角的變化大小為布拉格角度的負正切值乘以鏡面變化值與晶面間距值的商。衍射線的寬化有一定的范圍，由微觀應力所導致的譜線寬度是兩倍布拉格角度的變化值。

2 測試方法分析

首先，制備試樣。第一步，配置氨基磺酸鎳鍍液，具體配置方法為每升氨基磺酸鎳鍍液取兩百到三百克氨基磺酸鎳，五到十克氯化鎳，零點一克十二烷基硫酸鈉，三十克硼酸。第二步，沉積與攪拌，每升氨基磺酸鎳鍍液中含有金剛石十六克，金剛石的均粒度為7μm，溫度保持在四十五到五十五攝氏度之間，酸堿度在三點五到四點二之間，陰陽極距離十到十五厘米，以處于鍍液下部的螺旋槳以每秒鐘一百六到兩百六的速度攪拌，然后沉積半小時到四小時。第三步，對鋼母板進行拋光與氧化處理，然后將金剛石—鎳復合膜以電沉積的方式附加在鋼母板上，再利用機械方式進行脫模，試樣即制作成功，這樣得到的復合膜厚度在20μm到45μm之間。通過電子顯微鏡的觀察，所制備的復合膜中金剛石以百分之八十的顆粒密度均勻分布。

其次，鎳多晶顯微應變的測量。用自制的微波功率為5千瓦的微波等離子體（MWCVD）裝置，研究了在CH4-H2反應氣體中添加安全廉價的H2O代替O2金剛石膜的沉積狀況，以H2／CH4／H2O作為反應氣體，成功制備了厚度達到1.1毫米，面積達20平方厘米的金剛石厚膜。在沉積溫度為700-900℃范圍內，研究了CH4／H2=3.0％，H2O／H2=0.0-2.4％范圍內金剛石膜沉積的速率，均勻性，形貌以及質量的變化規律。研究結果表明，在反應氣體CH4／H2中添加適量H2O能降低金剛石膜中非金剛石碳的含量，提高金剛石膜厚度的均勻性，并對反應氣體中添加H2O對CVD金剛石膜生長影響機理進行了闡述。鎳是金剛石—鎳復合膜的基質金屬，而金剛石則是異相夾雜其中。采用日本Model D /MAX—3B，R IGAKU X 射線衍射儀和Cu 靶，管流30mA，X射線波長為1.5418埃，高壓為35千伏。金剛石單晶生長過程和金剛石制品制造的計算機模擬和輔助設計進行了論述，提出了金剛石單晶生長過程的動力學模型和制品制造的設計目標參量和有關變量的數學模型。這對于金剛石生長過程和制品設計的研究和教學具有速度快、數據準確、成本低、直觀簡便等優點。

3 結論

目前對于此的研究主要是利用沖液裝置和高頻窄脈寬脈沖電流，開展了鎳錳合金的脈沖電鑄試驗。采用掃描電鏡、透射電鏡及x射線衍射法對電鑄層的沉積表面形貌、晶粒大小、相結構和結晶取向進行了測試與分析。也有研究認為，對激光誘導合成金剛石的機理可以估算石墨直接轉化金剛石所必須越過的勢壘值為8.565×10^4J·mol^-1，說明了宏觀高壓并非是這一轉化的必要條件。對于激光誘導合成金剛石，其激光源的功率密度不應低于2．534×10^5W?cm^-2。而且在某些程度上說，有利于激光誘導合成金剛石的若干因素：靶前激光維持爆轟波的壓力可達幾個GPa數量級；粒徑為4nm的石墨微粒，其晶體本身表面高壓可達3.32GPa；石墨被加熱后，其晶體自身的熱壓力可達幾百MPa；晶體表面原子振幅遠大于體內，其動能可達1.6×10^-19J；被激光照射時，石墨原子的平均振幅大到常溫時的8倍以上。用細微石墨顆粒作原料更易于合成金剛石。將宏觀的熱力學理論與微觀的物質結構及相變的微觀機理結合起來，能較好地闡明該相變機理。綜上所述，本文首先介紹了多晶體微觀應力和晶粒大小的X射線衍射法測量原理；繼而對測試方法中試樣、鎳多晶體微觀應力的測量程序進行分析；最后得出鎳復合膜顯微應變隨著電流密度的加大而減小。通過利用X射線衍射法對電鑄金剛石—鎳復合膜的微觀應力加以分析，發現特殊的活性焊料對CVD膜與硬質合金基體進行真空焊接，獲得了大于500MPa的剪切強度，此強度已經接近金剛石膜的剪切強度。在前人的基礎上得出結論：電鑄金剛石—鎳復合膜的顯微應變隨著電流密度的增大而減小。

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