金剛石具有極高的硬度、良好的耐磨性和光電熱等特性，廣泛應用于磨料磨具、光學器件和電子封裝等領域，但金剛石中碳原子以共價鍵結合，呈sp3雜化狀態，結合力高、穩定性強，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，處于熱力學不穩定狀態，容易發生團聚，在一定程度上限制了其應用。為了滿足不同應用場景的需求，往往需要采用各種表面改性技術，改變其表面性質。目前，金剛石表面改性技術主要有表面金屬化改性、表面氧化物改性、表面活性劑/偶聯劑改性等幾種，這些技術能夠賦予金剛石表面不同的功能，從而讓其能適應各種不同的應用。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，且不與金剛石反應生成碳化物，因而對金剛石進行表面鍍Ni改性，可在燒結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/金屬復合導熱材料，這些金屬能夠與金剛石表面的碳原子發生化學反應，形成穩定的碳化物層。既可以通過化學結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合強度，減少界面熱阻，也可以利用這些碳化物良好的熱穩定性和化學穩定性，有效地減少聲子在界面處的散射，提高熱導率。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境下仍能保持穩定的性能。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鍍等技術進行鍍覆改性。

（3）鍍合金：隨著現代工業的迅速發展，單一金屬鍍層已經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金屬鍍層存在的局限，通過結合多種金屬的優點，實現多方面的性能優化，進一步拓展金剛石材料的應用范圍。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，實現兩種及以上元素的合金鍍層。

二、金剛石表面活性劑/偶聯劑改性

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

（1）表面活性劑改性：

表面活性劑是一種具有兩親性的物質，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合，而親油端能與聚合物基體結合，顯著增強兩相界面的結合性，以及在基體的分散穩定性。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）偶聯劑改性：

偶聯劑與表面活性劑之間的區別在于：表面活性劑僅通過物理吸附作用與材料結合，而不發生化學反應；而偶聯劑的基團能夠發生化學反應。偶聯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發生作用。當應用于金剛石/聚合物復合材料時，親無機物基團能與金剛石等無機物發生化學反應，而親有機物基團能與樹脂、聚合物等有機物發生化學反應。因此，相比表面活性劑的物理吸附作用，偶聯劑這種結合方式能夠顯著提高金剛石與聚合物之間的結合強度，改善金剛石在基料中的分散程度，并大幅降低界面自由能。

硅烷偶聯劑KH-550與金剛石的反應機理（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，提高高分子導熱復合材料的導熱性能。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，能夠將羥基（-OH）等有機基團氧化成羧基（-COOH）、羰基（C=O）等，并且產生的副產物氧氣（O₂）完全無毒無害，是一種反應性優秀且環境友好的表面處理氧化劑。一般來說，相比在偏酸性環境中，O₃分子在有水（偏堿性或者強堿性）的環境中，能夠與水微弱電離產生的OH^-，產生·OH自由基，從而獲得更快的反應速度，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）和熔融結合劑等在800°C以上的溫度下燒結，從而形成金剛石顆粒被結合劑包圍的結構。為了更大限度地提高界面結合強度，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合劑的結合力，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構（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研究進展與應用[J].金屬加工(熱加工),.

2、邱濤.導熱填料用金剛石表面改性研究[D].中南大學.

2、DT半導體.《探索未來熱管理新紀元：金剛石/金屬復合材料的界面改性技術》

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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