隨著金剛石鍍覆技術(shù)逐漸成熟，其產(chǎn)品在復(fù)合材料中的地位也日益重要。金剛石表面鍍覆可以改善金剛石與某些金屬的不浸潤現(xiàn)象，明顯地增加金剛石在復(fù)合鍍層中的結(jié)合性能。而且可以使金剛石具有導(dǎo)體特性，這在電鍍復(fù)合材料中將起到重要作用。比如在光伏行業(yè)所使用的新型電鍍金剛石線鋸的制作過程中，需要將金剛石快速的包覆進(jìn)鍍層，從而縮短生產(chǎn)周期，降低生產(chǎn)成本。本實(shí)驗(yàn)根據(jù)電鍍金剛石線鋸的上砂過程，對鍍鎳和未鍍鎳金剛石的上砂機(jī)理進(jìn)行了分析，提出了兩類金剛石上砂的理論模型。

       鍍鎳和未鍍鎳兩類金剛石的上砂影響因素

       關(guān)于復(fù)合電鍍，通常關(guān)注兩個方面，一是加入鍍液中的微粒，另外就是鍍液。微?？梢苑譃閷?dǎo)體和絕緣休，而鍍液作為液體，鍍液的流動情況將影響到微粒在其中的分布。因此，流液的運(yùn)動將是一個重要的影響因素，這在未鍍覆金剛石研究中已經(jīng)得到了充分的證明。所以，對其上砂機(jī)理的分析將包括以下幾個因素：

       （1）微粒的導(dǎo)電性；

      （2）微粒的重力；

       （3）微粒在電沉積過程中結(jié)晶受到的壓力，這種壓力可達(dá)到106 Pa。它們有將局外物體擠出的能力，只有微粒在電極上的附著力遠(yuǎn)大于結(jié)晶壓力，才能使微粒穩(wěn)定地停留在陰極表面；

       （4）液流所產(chǎn)生的沖刷力（可以是阻力也可以是推動力）；

       （5）微粒在液體中所受到的浮力；

       （6）除以上所說的幾種受力之外的其它力，比如靜電力、分子間力、結(jié)構(gòu)力、憎水作用力、滲透力，化學(xué)吸附力等，也包括微粒在液體中由于界面雙電層所受到的電場力與磁場力（即形成的弱吸附或者強(qiáng)吸附力）。為了研究簡單，將這些力統(tǒng)稱在一起，形成一個合力，稱為吸附合力；

       （7）電鍍金屬的沉積速度。

      鍍鎳和未鍍鎳兩類金剛石復(fù)合電沉積過程理論分析模型與實(shí)例

      圖1是鍍鎳和未鍍鎳金剛石在復(fù)合電鍍過程中的受力分析。這兩個模型的唯一不同點(diǎn)就是圖1a中的微粒為絕緣體，圖1b中的微粒通過表面鍍覆成為導(dǎo)體。假設(shè)兩模型中顆粒的大小相等，液流情況相同，可以認(rèn)為兩模型中的力F2、F3、F5大小均相等，僅需要分析F1、F4的受力情況即可。

       通常認(rèn)為，微粒是在液流沖刷力以及重力、浮力、吸附力等相關(guān)作用力的合力情況下輸送到電極表面，初始時靠這些合力形成弱吸附，它是微粒能夠穩(wěn)定停留在電極表面形成強(qiáng)吸附的前提條件，在兩模型中都存在這一初始步驟。

      在圖1a模型中，由于微粒不導(dǎo)電，微粒受到的結(jié)晶壓力F1方向?qū)⑷鐖D所示，這種力具有使金剛石被擠出的能力，其大小為106  Pa乘以顆粒與鍍層接觸的面積，因此微粒越小這個力就越小，所以對于小微粒（一般小于10μm）來說，其他幾個力所形成的吸附合力比較容易達(dá)到此量級，并與之抗衡。但對于較大（40μm以上）的微粒，要克服自身的重力已經(jīng)相當(dāng)困難，如果再考慮結(jié)晶壓力的作用就更加難以被吸附。同時，由于液流沖刷所形成的力方向不確定，一旦其與結(jié)晶壓力方向一致，就更易脫離界面。

       在圖1b模型中：

       （1）由于采用鍍覆金剛石，使微粒表面特性被改變，給整個復(fù)合電鍍過程帶來非常大的影響。本模型認(rèn)為這種特性改變會使力F4的方向不變，但其大小要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于圖1a模型中的力。

       （2）微粒在電沉積過程中受到的結(jié)晶壓力與圖1a模型的方向相反。因?yàn)殡姵练e會發(fā)生在整個微粒的表面上，在之后的沉積過程中，這種結(jié)晶壓力F1會始終將微粒牢牢地壓向鍍層里，使其不會有圖1a模型中往外擠的趨勢。

       （3）夾角處的沉積速度將比圖1a模型夾角處沉積速度快，因?yàn)槲⒘１砻婧碗姌O表面同時進(jìn)行沉積。而且它們之間將形成金屬鍵，鍵合十分牢固，所以只需要夾角處金屬形成新的鍵合力，能夠克服其他如F1、F2、F3、F5的合力，即被認(rèn)為嵌人鍍層。此過程一般只需要極短的時間就可實(shí)現(xiàn)。

      圖2是與圖1a模型對應(yīng)的在復(fù)合電鍍過程中出現(xiàn)的實(shí)例。其中圖2a處在復(fù)合電鍍的初始階段，沉積時問較短，雖然在基體表面有很多金剛石到達(dá)，但都在停留了很短時間后脫離基體，只形成了一些不明顯的淺凹痕。圖2b處在沉積了較長時間后，只有少量的金剛石被嵌入鍍層，而留下了非常多的鑲嵌凹坑。這主要是由于金剛石微粒受到了起阻礙上砂的力F1、F2、F3共同作用所致。另外由于在圖1a模型中，微粒為絕緣體，微粒與基質(zhì)金屬都是獨(dú)立的相，它們只是簡單的機(jī)械混合，吸附力F4較弱，而且如果復(fù)合兩相界面之間的浸潤性不好，那么微粒就更加易于脫落。圖2c是在考慮到重力的作用，故而將基體水平放置得到了較多的金剛石微粒。重力豎直作用于水平基體面上，增加了微粒對于結(jié)晶壓力的抵抗能力，但仍然有少部分微粒被結(jié)晶壓力F1擠出，最后留下較深的凹坑。通過幾種情況，說明在圖1a模型中，F(xiàn)1和F3的作用力影響較大。這兩種力會對金剛石在基體上附著造成較大的阻礙作用。

      圖3就是與圖1b模型對應(yīng)的采用100μm的鍍鎳金剛石進(jìn)行的特例實(shí)驗(yàn)。可以看出鍍覆金剛石顆粒能夠被輕易地固定在鋼絲表面，而且由放大圖可以看出，夾角處已經(jīng)被鎳金屬層填滿。

       注：本文節(jié)錄自論文《鍍鎳和未鍍鎳金剛石在制作電鍍金剛石線鋸中的上砂機(jī)理和電化學(xué)分析》，作者：張曉杰，張迎九