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金剛石的特點是具有非凡的硬度、堅固性及其光學和熱學性能,作為珠寶和工業工具而聞名。天然金剛石(也稱為鉆石)不僅價格高昂,而且十分稀缺,這限制了其在工程應用中的使用。人造鉆石的合成工藝不斷發展,首先在20世紀50年代使用高壓和高溫(HPHT),隨后在20世紀80年代使用化學氣相淀積(CVD)來生產特殊的共價晶體金剛石。金剛石的特性來源于它的結構;原子和原子之間以共價鍵連接,構成四面體立方晶格。這種結合牢固、緊密、致密和堅硬的結構使其具有突出的性能。

等離子體處理

等離子體處理是利用低溫等離子體產生的高能粒子(如電子、離子等)與材料表面發生作用,改變其結構,顯著提高表面能、親水性和粗糙度,從而增強基體的結合力。并且該改性方法操作便利、廉價、清潔,并且可以在不改變金剛石整體性能的情況下,通過改變實驗參數和使用不同等離子氣體(單一等離子氣體或多組分等離子氣體),誘導特定的表面變化。

等離子處理對金剛石表面形貌及化學狀態的影響

金剛石顆粒經等離子體處理前后的微觀形貌圖如圖1-1所示。對比圖1-1(a)、(b)和圖1-1(c)、(d)發現,等離子體處理前后金剛石顆粒表面形貌基本一致,并沒有看到明顯差異,這說明氬等離子體處理40min對金剛石顆粒表面微觀形貌沒有明顯影響。

圖1-1 金剛石顆粒經過等離子體處理前后的微觀形貌圖。(a)等離子處理前, (b)等離子處理后;(b)、(d)分別為(a)、(c)的高倍放大圖

為了探測和量化等離子體處理對金剛石顆粒表面化學狀態的影響,利用X射線能譜儀(XPS)對金剛石表面進行分析表征。圖1-2是金剛石在等離子體處理前后的C1s譜,其中,空心圓圈代表實驗值,紅色、黑灰色曲線分別代表擬合值和背底值。如圖中箭頭所示,C1s譜能夠被分峰擬合為四個不同的子峰,最強峰位于284.8V,可以歸因于金剛石的sp3C;而中心為283.8V的峰與sp2C有關。峰值在285.8V和288.3V的峰分別對應于C-O和C=O的存在。如圖1-2(a)所示,未經等離子處理的金剛石顆粒表面含有較多的sp2C,這是因為金剛石顆粒在生產和放置過程中,金剛石表面存在一定數量的類石墨雜相,而氫氧化鈉和硝酸煮沸清洗步驟并不能完全去除金剛石表面的石墨碳雜質。經等離子體處理后,金剛石sp3C的峰值明顯降低,而C-O和C=O的峰值增加;這表明金剛石表面的氧含量增加。此外,值得注意的是,等離子體處理后金剛石表面的sp2C含量明顯增多;這是因為等離子體處理會促使金剛石表面的C由sp3雜化向sp2雜化轉化。

圖1-2 金剛石在等離子體處理前后的C 1 s譜。(a)0 min;(b)40 min 

XPS全譜中僅檢測出C和O元素,因此,根據XPS中C1s和O1s的精細譜進行金剛石表面氧含量的半定量分析,結果如表1-1所示。

表1-1 金剛石顆粒處理前后表面C、O元素的含量變化 

由表1-1可知,經等離子體處理后金剛石表面氧含量從24%增加至30%,氧含量有明顯增加;而氧含量的增加有助于提升金剛石顆粒的親水性。

等離子體處理對金剛石表面親水性的影響

通過接觸角分析儀觀察水滴滴在金剛石砂層上的行為變化,以驗證金剛石顆粒的親水性或疏水性。圖1-3是滴在有無等離子體處理的金剛石顆粒層上的水滴,其外觀隨時間的變化圖,隨著時間的推移,原始金剛石顆粒上的液滴保持不變。然而,經等離子處理后金剛石顆粒上的水滴在0.2s內迅速滲透到金剛石砂層中,說明水滴和金剛石之間的潤濕性很好,所以水滴能迅速滲入到金剛石砂層中。上述測試結果表明,通過等離子體處理成功得到了親水化金剛石顆粒。

圖1-3 等離子處理前后,壓實金剛石顆粒表面水滴形狀隨時間變化圖