溶膠凝膠法制備Al2O3－SiO2包覆金剛石的性能研究①

劉嘉霖，張旺璽，梁寶巖，韓警賢

（中原工學院 材料與化工學院，河南 鄭州451191）

1 前言

金剛石工具因其超高的硬度和良好的磨削性能，已廣泛應用于現代工業、軍事、航空航天、醫療等領域。隨著科技的不斷進步，人們對金剛石工具性能的要求越來越高，尤其對金剛石超硬工具的使用性能要求更加苛刻。傳統金剛石磨具在使用過程中存在一些明顯的問題，例如磨粒過早脫落，高溫氧化導致磨削效率降低等。這些問題大大增加了金剛石超硬工具的使用成本，制約了金剛石工具的發展。眾所周知，金剛石是以飽和共價鍵形成的高度對稱的共價鍵結構，具有極高的硬度和良好的耐磨性能［1］。但是金剛石的化學性質極不活潑，導致金剛石磨粒與結合劑及其他填料的結合力較低，在金剛石工具的制備過程中金剛石磨粒僅被機械地鑲嵌在結合劑中，因此在使用過程中，磨粒容易過早脫落［2］。并且金剛石的抗氧化性能差，空氣中600℃開始氧化失重，這些問題都是制約金剛石工具發展和使用的關鍵性問題。實踐證明，在金剛石表面包覆一層金屬或陶瓷是提高金剛石工具性能的有效的方法。目前人們研究較多的是金剛石表面鍍覆金屬，朱永偉［3］等人利用在金剛石表面鍍鈦提高了金剛石鋸片的切割效率；萬隆［2］等人通過浸漬法在金剛石表面包覆了一層納米TiO2薄膜，并通過研究發現，涂膜后的金剛石要比未涂膜的金剛石抗氧化溫度提高100℃。

為了提高金剛石與結合劑的結合強度，提高其使用時的耐熱性能和抗氧化性，本研究采用一種Al2O3－SiO2陶瓷膜包覆在金剛石表面，并通過掃描電鏡、紅外光譜分析、DSC－TG、沖擊韌性測試等手段對比表征包覆前后金剛石顆粒的性能。

2 實驗部分

表1是本次實驗所需主要的原料。本次實驗以異丙醇鋁和硝酸鋁為鋁源，正硅酸乙酯為硅源，利用溶膠－凝膠法制備Al2O3－SiO2溶膠。溶膠制備完成后，采用浸漬法將實驗使用的金剛石顆粒浸泡于適量溶膠中并攪拌10min，把多余的溶膠吸出后，將金剛石顆粒放入恒溫箱，在80℃溫度下烘干10小時，最后利用馬弗爐在空氣中加熱至650℃熱處理，實驗過程如圖1所示。

表1 實驗主要原料Table 1 The main experimental materials

圖1 溶膠凝膠法制備Al2O3－SiO2溶膠包覆金剛石的流程路Fig.1 Flow chart for preparation of diamond particles coated by sol－gel processing

被包覆的金剛石顆粒經過熱處理之后，需要用日本電子的JSM－6360LV掃描電鏡對樣品進行形貌分析；用德國耐馳NETZSCH STA 409PC／PG型熱重－示差掃描量熱儀在空氣中升溫至1000℃對樣品進行熱性能測試；用Nicolet IR200型傅立葉變換紅外光譜儀對樣品進行結構分析；采用CYCJ—91A型沖擊韌性測定儀對樣品進行機械性能測試。

3 結果與討論

3.1 SEM分析

圖2是金剛石顆粒表面形貌圖。圖2－（a）是未包覆Al2O3－SiO2金剛石的SEM形貌圖，圖2－（b）是包覆Al2O3－SiO2金剛石的SEM形貌圖。通過分析可知，圖2－（a）的金剛石顆粒晶型完整，棱角分明［4］；圖2－（b）的金剛石顆粒經過熱處理后表面被鍍層完全包覆，且包覆層相對較致密，幾乎沒有裸露的金剛石。由于鍍覆后的金剛石顆粒經過熱處理，在熱處理溫度下Al2O3－SiO2結晶并生長，并在金剛石表面形成球狀顆粒或突起。在金剛石超硬制品的制備中，Al2O3－SiO2鍍層不僅與金剛石有較強的結合力，還與其他結合劑或者填料有良好的浸潤性，用鍍覆Al2O3－SiO2的金剛石磨料制備的金剛石制品在使用過程中，磨粒與金屬基料結合力較強，能防止磨粒過早脫落，提高了金剛石制品的使用效率。

圖2 金剛石顆粒表面形貌圖Fig.2 SEM of the diamond

3.2 紅外分析

圖3是包覆Al2O3－SiO2的金剛石經650℃熱處理后的紅外光譜分析。圖中3481cm－1處出現明顯的吸收峰，主要是由金剛石表面吸附水和游離水中O—H的伸縮振動引起的。2021cm－1處的吸收峰主要是由于NO31－中N—O振動引起，1628cm－1處出現吸收峰，主要是因為H—O—H彎曲振動。1038cm－1附近出現的Si—O—Si反伸縮振動吸收峰和823cm－1附近出現的［AlO4］四面體的共振吸收峰，說明包覆層中出現了A l—O—Si—O—這樣的鍵［5］，且經過熱處理Al2O3－SiO2包覆層的晶相結構更加完整。

圖3 包覆Al2O3－SiO2膜的金剛石經650℃熱處理后的紅外光譜分析Fig.3 The FTIR analysis of diamond with Al2O3－SiO2 film after 650℃heat treatment

3.3 熱性能分析

圖4－（a）（b）分別是金剛石顆粒的DSC／TG圖譜。在圖4－（a）中，曲線1、2分別是包覆Al2O3－SiO2的金剛石顆粒和未包覆Al2O3－SiO2的金剛石顆粒在空氣中升溫1000℃的DSC曲線。由圖可知，曲線1在700℃～880℃范圍內出現明顯的的吸熱峰，相對曲線2出現吸熱峰的溫度范圍提高了100℃。圖4－（b）中的曲線3、4分別是兩組試樣的TG曲線對比圖，由圖可知，曲線3在728℃時開始出現失重現象，失重狀態的終止溫度是851℃，失重率為88.5%，而曲線4在627℃時開始出現失重現象，終止溫度為767℃，且失重率為98.4%。這是因為未包覆Al2O3－SiO2的金剛石顆粒表面與空氣直接接觸，高溫下與空氣中的氧發生氧化反應。而有鍍層的金剛石顆粒表面由于鍍層的保護，金剛石表面不與空氣直接接觸，故失重溫度較高。對比圖4－（a）（b）可知，包覆了Al2O3－SiO2的金剛石顆粒的耐熱性和抗氧化性均有較大提高。且采用本實驗方法包覆Al2O3－SiO2的金剛石顆粒的抗氧化性提高了100℃，失重率降低了10%。

圖4 在空氣中金剛石的熱分析圖譜Fig.4 The DSC－TG diagram of the diamond in air

3.4 沖擊韌性

金剛石工具工作過程中主要承受磨削、沖擊作用，所以金剛石磨粒的沖擊韌性可以判定金剛石磨粒的機械性能及金剛石工具的質量［6］。本實驗根據標準JB／T 10987－2010的相關要求進行。如表2所示，包覆Al2O3－SiO2的金剛石顆粒的沖擊韌性相比未包覆Al2O3－SiO2的金剛石顆粒沖擊韌性提高了2.2%。這是因為Al2O3－SiO2鍍層完全包裹在金剛石表面，且Al2O3－SiO2陶瓷具有低熱膨脹系數，受到沖擊時吸收部分能量，從而保護了金剛石顆粒。將包覆了Al2O3－SiO2的金剛石顆粒用于制備金剛石制品，可提高金剛石工具的機械性能，延長金剛石工具的使用壽命。

表2 兩種金剛石顆粒的沖擊韌性測試Table 2 Test of the impact toughness of the coated and uncoated diamond

4 結論

溶膠－凝膠法制備的Al2O3－SiO2溶膠經過涂覆工藝可以包覆于單晶金剛石表面，通過SEM分析形貌發現，金剛石表面形成致密的包覆層，有利于提高金剛石與結合劑的粘結強度。經過熱處理，金剛石表面的包覆層形成Al—O—Si—O—鍵，包覆層的結構更加完整。包覆了Al2O3－SiO2膜的金剛石的熱性能提高了100℃，機械性能也有較大提高。

［1］段隆臣，胡國榮，等.金剛石表面化學鍍Ni WB及其在高溫下的熱損傷特征［J］.金剛石磨料磨具與工程，2000，1（115）：5－8.

［2］胡偉達，萬隆，等.溶膠－凝膠法在金剛石表面涂覆納米TiO2薄膜［J］.湖南大學學報，2008，8（8）：55－58.

［3］朱永偉，張新明，等.金剛石表面鍍鈦對金剛石鋸片性能的影響［J］.中國有色金屬學報，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］李呈順，張玉軍，張景德.溶膠－凝膠法制備多晶莫來石纖維［J］.無機材料學報，2009，7（4）：849－852.

［6］李和勝，李木森.人造金剛石沖擊韌性與晶體品質相關性的研究［J］.金屬熱處理，2007，32：458－461.