www.188betkr.com 讯金刚石因其超高硬度、卓越的耐磨性以及出色的热导率等优异性能，在众多工业领域备受青睐。然而，金刚石的化学惰性较强，表面能较高，致使其与金属或其他基体材料的浸润性欠佳，在实际应用时难以充分发挥其性能优势。放电等离子烧结（SPS）法作为一种新兴的材料制备技术，其具有升温速度快、烧结 温度低、烧结时间短和致密度高等优点，为金刚石镀覆难题提供了创新的解决方案，近年来成为材料科学领域的研究热点。
放电等离子烧结法原理
SPS技术的核心原理在于利用脉冲电流通过粉末颗粒间隙时产生的放电等离子体。当脉冲电流瞬间释放，在颗粒接触点附近形成局部高温，温度可在极短时间内飙升至上千摄氏度，同时产生强烈的等离子体放电。这种等离子体具有极高的能量密度，能够瞬间活化金刚石表面以及镀覆材料粉末的原子。对于金刚石而言，其表面原本稳定的原子结构被等离子体冲击，化学键部分断裂，表面能态发生改变，形成众多活性位点，极大地增强了对镀覆金属原子的吸附能力。从镀覆材料角度看，金属粉末颗粒在等离子体作用下，原子的扩散速率大幅提升，表面原子挣脱原有晶格束缚，变得易于流动与沉积，从而为在金刚石表面均匀镀覆创造了有利条件。
放电等离子烧结示意图
放电等离子烧结法金刚石镀覆工艺流程
原料准备与预处理：根据不同需求选定镀覆金属，工业刀具镀覆常选镍，因其耐腐蚀性良好、成本适中；电脑CPU散热模块的金刚石散热片多采用镀铜工艺，利用铜的超高热导率；硬质合金刀具常用钴与金刚石搭配，借助钴对金刚石的润湿性及强化相特性。对金属粉末预处理，先经干燥去除水分，防止SPS过程水汽影响镀层质量；再球磨细化粉末，改善颗粒形貌与粒度分布，如球磨后的镍粉粒度更均匀，利于形成光滑连续镀层。
模具组装与装料：模具材质优先选用石墨，利用其优良导电性确保脉冲电流均匀贯穿粉末体系，以及出色耐高温性能耐受SPS高温环境。依据SPS设备腔体设计模具结构，如针对圆柱形设备设计同心圆柱状石墨模具，保障压力均匀施加，规避局部应力集中造成金刚石破碎或镀层不均。
烧结与镀覆：对于电流与电压参数而言，脉冲电流的波形常选用矩形波或正弦波，其频率能够在10-100Hz这个区间灵活调整，保证金属原子可充分完成活化并顺利沉积到金刚石表面。电压的调控紧密匹配电流大小以及材料自身电阻，既能保障等离子体正常生成，又能有效避免因电流过大致使材料局部出现过热乃至烧蚀损坏的不良情况。在温度与压力控制方面，升温速率大多把控在100-500℃/min，借助快速升温的方式，能大幅缩减金刚石处于高温区间的时长，进而降低其石墨化发生的可能性。保温温度的设定依赖于镀覆材料自身熔点以及合金相图。合适的压力能让粉末颗粒彼此紧密贴合，助力镀层变得更为致密。
SPS烧结装置（a）外部（b）内部示意图
镀覆层性能特点
（一）结合强度
SPS法制备的金刚石镀覆层与金刚石基底呈现出卓越的结合强度。微观层面，镀覆金属原子与金刚石表面经等离子体活化后形成化学键合，如镍原子与金刚石表面的碳元素生成金属碳化物过渡层，经拉伸测试，结合力较传统化学镀提高30%-50%，在刀具高速切削时镀层牢固附着，有效抵御切削力冲击，大幅延长刀具使用寿命。
（二）致密性
镀覆层具有极高的致密性。SPS过程中，脉冲电流驱动金属原子高速扩散填充孔隙，镀层孔隙率可低至5%以下，远优于传统电镀的15%-20%。在电子封装的高湿度环境应用时，致密镀层宛如密封铠甲，阻挡水汽侵蚀金刚石，确保其热导率稳定，维持电子元件散热效能。
（三）厚度均匀性
得益于SPS设备均匀的电场与温度场，镀覆层厚度均匀性出众。在复杂形状的金刚石颗粒镀覆时，如多面体异形金刚石用于珠宝打磨工具，各处镀层厚度偏差控制在±5μm以内，保障工具各部位耐磨性能一致，提升加工精度与表面质量一致性。
应用领域
（一）超硬材料刀具
在金属切削刀具领域，SPS法镀覆金刚石刀具切削性能卓越。加工高强度合金钢时，相较于未镀覆刀具，其切削速度可提升30%-50%，刀具耐用度提高2-3倍。在汽车发动机关键零部件制造中，镀覆金刚石刀具精准切削复杂曲面，确保尺寸公差达±0.01mm，表面粗糙度Ra低至0.2μm，大幅提升生产效率与产品质量。
（二）电子封装
在电子封装行业，镀覆后的金刚石是理想散热材料。在5G基站功率放大器模块，镀铜金刚石散热基板热导率超600W/(m?K)，较传统铝基板提升3-4倍，有效降低芯片工作温度20-30℃，保障电子元件在高功率运行下稳定工作，显著提升系统可靠性与使用寿命。
2024年12月24日，www.188betkr.com 将在河南·郑州举办“2024半导体行业用金刚石材料技术大会”。届时，我们邀请到河南建筑材料研究设计院教授级高工边华英出席本次大会并作题为《SPS法金刚石镀覆研究进展》的报告，边华英教授将为您具体介绍SPS法金刚石镀覆工艺和研究进展。
个人简历：
边华英，女，正高级工程师，磨料磨具行业专家委员会委员、工业陶瓷行业标准化技术人员、河南省硅酸盐学会第六届理事会常务理事，中国机械工程学会会员。近年来主要从事陶瓷材料、新型磨料磨具、金刚石磨料镀覆技术研发工作，参与一些标准的制修订工作，任河南省新型建材工程技术研究中心副主任，获聘为景德镇陶瓷大学、华北水利水电大学、河南理工大学兼职硕士生导师，被聘为平顶山职业技术学院汝瓷学院客座教授。
参考来源：
李灏博：放电等离子烧结制备金刚石/铜复合材料及性能研究
赵佩佩：SPS合成金刚石及其原位自生增强铁镍基复合材料的研究
丁超等：放电等离子烧结法制备金刚石/六方氮化硼复合陶瓷及其力学性能研究
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