金剛石具有極高的硬度、良好的耐磨性和光電熱等特性，廣泛應(yīng)用于磨料磨具、光學器件和電子封裝等領(lǐng)域，但金剛石中碳原子以共價鍵結(jié)合，呈sp3雜化狀態(tài)，結(jié)合力高、穩(wěn)定性強，使得金屬、聚合物等在金剛石表面難以有效潤濕，同時，納米金剛石顆粒比表面大、比表面能高，處于熱力學不穩(wěn)定狀態(tài)，容易發(fā)生團聚，在一定程度上限制了其應(yīng)用。為了滿足不同應(yīng)用場景的需求，往往需要采用各種表面改性技術(shù)，改變其表面性質(zhì)。目前，金剛石表面改性技術(shù)主要有表面金屬化改性、表面氧化物改性、表面活性劑/偶聯(lián)劑改性等幾種，這些技術(shù)能夠賦予金剛石表面不同的功能，從而讓其能適應(yīng)各種不同的應(yīng)用。本篇文章我們就一起聊聊這三種金剛石改性方法如何應(yīng)用。

一、表面金屬化改性

金剛石表面金屬化是指利用電鍍、化學鍍、粉末冶金、濺鍍、蒸鍍、熱噴涂等工藝及設(shè)備，在金剛石表面形成一層納米級至毫米級的Ni、Ti、W、Cr等金屬、合金層或界面反應(yīng)生成金屬碳化物層，使金剛石表層具有金屬的特性，主要用于提高與其他金屬之間的化學親和性。（1）鍍Ni：Ni與Ti、Cr等金屬相比，具有熔點低、硬度小、延展性好等性能，且不與金剛石反應(yīng)生成碳化物，因而對金剛石進行表面鍍Ni改性，可在燒結(jié)或釬焊制備金剛石工具時，有利于抑制金剛石熱損傷，釋放金剛石/基體之間的界面應(yīng)力，提高與金屬基體把持力，從而提高金剛石工具的使用壽命。目前，由于金剛石表面本身不具有催化活性中心，往往需要在金屬化改性前進行除油、粗化、敏化、活化等預(yù)處理步驟，之后再使用化學鍍和電鍍工藝進行鍍鎳。

金剛石鍍Ni前后對比（來源：參考來源4）

（2）鍍Ti、W、Cr：在金剛石表面引入金屬涂層，如Ti、W、Cr等，主要用于制備金剛石/金屬復(fù)合導(dǎo)熱材料，這些金屬能夠與金剛石表面的碳原子發(fā)生化學反應(yīng)，形成穩(wěn)定的碳化物層。既可以通過化學結(jié)合和機械嵌合的方式，顯著改善金剛石與金屬基體之間的結(jié)合強度，減少界面熱阻，也可以利用這些碳化物良好的熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性，有效地減少聲子在界面處的散射，提高熱導(dǎo)率。此外，也可以增強材料料力學性能和耐腐蝕性，使得其在惡劣的工作環(huán)境下仍能保持穩(wěn)定的性能。目前，這類金剛石鍍層主要采用鹽浴鍍、磁控濺射鍍、化學氣相沉積、高溫真空擴散鍍和真空微蒸發(fā)鍍等技術(shù)進行鍍覆改性。

（3）鍍合金：隨著現(xiàn)代工業(yè)的迅速發(fā)展，單一金屬鍍層已經(jīng)無法滿足金剛石表面改性的高性能需求，而合金鍍層可有效地克服傳統(tǒng)金屬鍍層存在的局限，通過結(jié)合多種金屬的優(yōu)點，實現(xiàn)多方面的性能優(yōu)化，進一步拓展金剛石材料的應(yīng)用范圍。通常，合金鍍層可采用化學鍍、電鍍、化學鍍＋電鍍、真空鍍＋電鍍、釬焊等方法，實現(xiàn)兩種及以上元素的合金鍍層。

二、金剛石表面活性劑/偶聯(lián)劑改性

利用表面活性劑、偶聯(lián)劑與金剛石之間的化學反應(yīng)或物理吸附作用，改變金剛石表面狀態(tài)，提高納米金剛石（ND）的分散穩(wěn)定性及其與基體的結(jié)合強度，主要用于制備金剛石拋光劑、ND/樹脂基復(fù)合材料和ND/金屬基復(fù)合材料等。

（1）表面活性劑改性：

表面活性劑是一種具有兩親性的物質(zhì)，其分子由非極性親油基團和極性親水基團組成，它們能在溶液表面產(chǎn)生定向排列。利用表面活性劑對金剛石進行改性，往往親水端可與金剛石結(jié)合，而親油端能與聚合物基體結(jié)合，顯著增強兩相界面的結(jié)合性，以及在基體的分散穩(wěn)定性。目前常用來對金剛石進行表面改性的表面活性劑有十二烷基磺酸鈉、十六烷基三甲基溴化銨、偶氮苯和聚乙烯亞胺等。

（2）偶聯(lián)劑改性：

偶聯(lián)劑與表面活性劑之間的區(qū)別在于：表面活性劑僅通過物理吸附作用與材料結(jié)合，而不發(fā)生化學反應(yīng)；而偶聯(lián)劑的基團能夠發(fā)生化學反應(yīng)。偶聯(lián)劑分子的兩端分別具有親無機物和親有機物的兩種活性基團，這兩種基團能夠與兩種不相容的物質(zhì)發(fā)生作用。當應(yīng)用于金剛石/聚合物復(fù)合材料時，親無機物基團能與金剛石等無機物發(fā)生化學反應(yīng)，而親有機物基團能與樹脂、聚合物等有機物發(fā)生化學反應(yīng)。因此，相比表面活性劑的物理吸附作用，偶聯(lián)劑這種結(jié)合方式能夠顯著提高金剛石與聚合物之間的結(jié)合強度，改善金剛石在基料中的分散程度，并大幅降低界面自由能。

硅烷偶聯(lián)劑KH-550與金剛石的反應(yīng)機理（來源：參考文獻2）

三、金剛石表面功能化

金剛石的表面功能化主要是指通過化學改性、光化學改性和臭氧氧化等表面方法，在金剛石的表面引入鹵素原子、氨基、羧基、羰基和羥基等有機官能團，可用于金剛石導(dǎo)熱填料的改性，從而提高金剛石與有機高分子的界面親和性，提高高分子導(dǎo)熱復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能。目前金剛石表面功能化改性主要有強酸液相氧化改性、光化學改性、臭氧氧化改性等。

（1）強酸液相氧化改性：金剛石碳原子間的共價鍵結(jié)合能較大，對其氧化需要采用濃硫酸、濃硝酸等強氧化性無機酸。這種方式除了可以在金剛石表面引入含氧基團，還可以去除非金剛石形態(tài)的碳，改善含碳材料的相純度。

（2）光化學改性：在輻照條件下，金剛石通過自由基反應(yīng)能夠在表面以較為溫和的方式可控地引入鹵素官能團，然后使用鹵化后的表面作為中間體，可以可控地進行進一步的化學改性。

（3）臭氧氧化改性：臭氧（O₃）是一種氧化性極強的氧化劑，能夠?qū)⒘u基（-OH）等有機基團氧化成羧基（-COOH）、羰基（C=O）等，并且產(chǎn)生的副產(chǎn)物氧氣（O₂）完全無毒無害，是一種反應(yīng)性優(yōu)秀且環(huán)境友好的表面處理氧化劑。一般來說，相比在偏酸性環(huán)境中，O₃分子在有水（偏堿性或者強堿性）的環(huán)境中，能夠與水微弱電離產(chǎn)生的OH^-，產(chǎn)生·OH自由基，從而獲得更快的反應(yīng)速度，迅速地對物料進行表面氧化處理。

三、金剛石表面氧化物改性

陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪采用硅酸鹽、高嶺土、長石、石英（也稱為氧化硅，SiO₂）和熔融結(jié)合劑等在800°C以上的溫度下燒結(jié)，從而形成金剛石顆粒被結(jié)合劑包圍的結(jié)構(gòu)。為了更大限度地提高界面結(jié)合強度，提升金剛石砂輪的耐用性，可利用溶膠凝膠法或利用對金剛石和剛玉具有良好潤濕特性的低熔玻璃作為黏結(jié)相，在金剛石表面涂覆Al₂O₃、TiO₂、SiO₂等氧化物層，這些氧化物層的氧原子能與金剛石界面以化學鍵方式結(jié)合，有效改 善金剛石的表面親水性能及陶瓷的高溫潤濕性能， 提高金剛石與陶瓷結(jié)合劑的結(jié)合力，防止金剛石早期脫落。

　不同金剛石陶瓷基金剛石砂輪顯微結(jié)構(gòu)（來源：參考文獻1）

參考文獻：

1、杜全斌,張志康,崔冰,等.金剛石表面改性技術(shù)研究進展與應(yīng)用[J].金屬加工(熱加工),.

2、邱濤.導(dǎo)熱填料用金剛石表面改性研究[D].中南大學.

2、DT半導(dǎo)體.《探索未來熱管理新紀元：金剛石/金屬復(fù)合材料的界面改性技術(shù)》

4、方莉俐,鄭蓮,吳艷飛,等.人造金剛石表面化學鍍鎳工藝[J].人工晶體學報.

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