1. Herstellung von karbidbeschichtetem Diamant
Das Prinzip besteht darin, Metallpulver mit Diamant zu vermischen, es auf eine bestimmte Temperatur zu erhitzen und es für eine gewisse Zeit unter Vakuum zu halten. Bei dieser Temperatur ist der Dampfdruck des Metalls ausreichend, um eine vollständige Bedeckung zu gewährleisten, und gleichzeitig adsorbiert das Metall an der Diamantoberfläche, wodurch ein beschichteter Diamant entsteht.
2. Auswahl des beschichteten Metalls
Um eine feste und zuverlässige Diamantbeschichtung zu gewährleisten und den Einfluss der Beschichtungszusammensetzung auf die Haftkraft besser zu verstehen, muss das Beschichtungsmetall sorgfältig ausgewählt werden. Diamant ist bekanntlich eine Modifikation des Kohlenstoffs (C) und besitzt ein regelmäßiges Tetraedergitter. Daher basiert das Prinzip der Metallzusammensetzung für die Beschichtung darauf, dass das Metall eine hohe Affinität zu Kohlenstoff aufweist. Unter bestimmten Bedingungen kommt es so an der Grenzfläche zu chemischen Wechselwirkungen, die eine feste chemische Bindung und die Bildung einer Metall-Kohlenstoff-Membran (Me-C-Membran) zur Folge haben. Die Infiltrations- und Adhäsionstheorie im Diamant-Metall-System besagt, dass chemische Wechselwirkungen nur dann auftreten, wenn die Adhäsionsarbeit ΔW > 0 einen bestimmten Wert erreicht. Metalle der kurzen Gruppe B des Periodensystems, wie beispielsweise Kupfer (Cu), Zinn (Sn), Silber (Ag), Zink (Zn) und Germanium (Ge), weisen eine geringe Affinität zu Kohlenstoff und eine niedrige Adhäsionsarbeit auf. Die gebildeten Bindungen sind molekulare Bindungen, die nicht stark genug sind und daher nicht ausgewählt werden sollten. Die Übergangsmetalle im langen Periodensystem, wie Ti, V, Cr, Mn, Fe usw., weisen eine hohe Adhäsionskraft mit dem C-System auf. Die Wechselwirkungsstärke zwischen C und Übergangsmetallen nimmt mit der Anzahl der d-Schicht-Elektronen zu, daher eignen sich Ti und Cr besser zur Bedeckung von Metallen.
3. Lampenexperiment
Bei einer Temperatur von 8500 °C kann Diamant die freie Energie der aktivierten Kohlenstoffatome an der Diamantoberfläche und des Metallpulvers zur Bildung von Metallcarbid nicht erreichen. Mindestens 9000 °C sind erforderlich, um die für die Metallcarbidbildung notwendige Energie zu erreichen. Ist die Temperatur jedoch zu hoch, führt dies zu thermischen Verbrennungsverlusten im Diamanten. Unter Berücksichtigung von Temperaturmessfehlern und anderen Faktoren wurde die Temperatur für den Beschichtungstest auf 9500 °C festgelegt. Wie aus dem untenstehenden Zusammenhang zwischen Isolationszeit und Reaktionsgeschwindigkeit ersichtlich ist, verläuft die Reaktion nach Erreichen der freien Energie für die Metallcarbidbildung schnell und verlangsamt sich mit zunehmender Carbidbildung allmählich. Eine Verlängerung der Isolationszeit verbessert zwar die Dichte und Qualität der Schicht, jedoch ist die Schichtqualität nach 60 Minuten nicht mehr wesentlich beeinträchtigt. Daher wurde die Isolationszeit auf 1 Stunde festgelegt. Ein höheres Vakuum ist wünschenswert, jedoch wird aufgrund der Testbedingungen üblicherweise ein Wert von 10⁻³ mmHg verwendet.
Prinzip zur Verbesserung der Einbaufähigkeit von Verpackungen
Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass der Diamantkern eine höhere Festigkeit aufweist als der unbeschichtete Diamantkern. Der Grund für die stärkere Haftung des Diamantkerns am beschichteten Diamantkern liegt darin, dass unbeschichtete künstliche Diamanten Oberflächenfehler und Mikrorisse aufweisen. Diese Mikrorisse verringern die Festigkeit des Diamanten, während das Kohlenstoffelement (C) des Diamanten kaum mit den Bestandteilen des Diamantkerns reagiert. Daher ist der Diamantkern des unbeschichteten Diamanten lediglich ein mechanisch verformtes Bauteil, das extrem schwach ist. Unter Belastung führen die Mikrorisse zu Spannungskonzentrationen, wodurch die Festigkeit des Bauteils weiter abnimmt. Anders verhält es sich bei beschichtetem Diamanten: Durch die Metallbeschichtung werden die Gitterfehler und Mikrorisse im Diamanten aufgefüllt. Dies erhöht einerseits die Festigkeit des beschichteten Diamanten und verhindert andererseits Spannungskonzentrationen. Wichtiger noch: Die Infiltration des gebundenen Metalls in die Reifenkarkasse wird in Kohlenstoffverbindungen auf der Diamantoberfläche umgewandelt. Dadurch verringert sich der Benetzungswinkel des gebundenen Metalls auf dem Diamanten von über 100° auf unter 50°, was die Benetzung des Diamanten durch das gebundene Metall erheblich verbessert. So wird die ursprünglich durch Extrusion geformte, mit Diamanten beschichtete Reifenkarkasse zu einer festen Verbindung zwischen der beschichteten Diamantschicht und der Reifenkarkasse. Dies führt zu einer signifikanten Verbesserung der Eigenschaften der Reifenkarkasse.
Die Einpressfähigkeit der Verpackung wird ebenfalls berücksichtigt. Gleichzeitig gehen wir davon aus, dass weitere Faktoren wie Sinterparameter, Partikelgröße und Qualität der beschichteten Diamanten sowie Partikelgröße des Rohmaterials die Einpresskraft der Verpackung beeinflussen. Ein angemessener Sinterdruck erhöht die Pressdichte und verbessert die Härte des Rohmaterials. Eine geeignete Sintertemperatur und -dauer fördern die chemische Hochtemperaturreaktion zwischen der Rohmaterialzusammensetzung, dem beschichteten Metall und den Diamanten. Dadurch wird eine feste Verbindung zwischen der Verpackung hergestellt, die Diamantqualität ist hoch, die Kristallstruktur ähnlich, ähnliche Phasen sind löslich und die Verpackung wird optimal fixiert.
Auszug aus Liu Xiaohui
Veröffentlichungsdatum: 13. März 2025
