一種鈦管表面種植金剛石微晶的方法
【專利摘要】本發明公開了一種鈦管表面種植金剛石微晶的方法。CVD法是制備金剛石電極的通用方法，制備出大面積金剛石電極的關鍵是基材表面種植均勻的、結合力強的金剛石微晶，成為CVD工藝中的晶種。本發明的方法是利用基材鈦與金剛石不同的熱膨脹系數，在600～800℃的高溫下，用機械研磨法種植金剛石微晶。
【專利說明】
一種鈦管表面種植金剛石微晶的方法
技術領域
[0001]本發明涉及金剛石電極的預處理方法，尤其涉及利用化學氣相沉積法(CVD)制備大面積摻硼金剛石電極(BDD)的預處理方法。
【背景技術】
[0002]純金剛石不導電，無法作為電極使用。在金剛石晶體中摻一定比例的硼元素，則成為很好的導體。摻硼金剛石電極(BDD)作為陽極用于污水處理，其性能比目前的常用的鈦基貴金屬電極(DSA電極)優勢明顯，其析氧電位高，電解的效率是鈦基貴金屬電極的5倍以上，且金剛石本身的穩定性好，電極壽命長。BDD電極用于污水處理的優良性能已經被大量報道，如專利 CN201210514062、CN201210514054、CN201210514000 公開的內容。
[0003]BDD電極在污水處理中應用的難點是大面積BDD電極的指標。所謂大面積，是指面積大于100平方厘米的電極。一平方厘米的BDD電極的制備已是成熟的技術，而大面積BDD電極的制備仍是難點。化學氣相沉積法(CVD)是制備金剛石薄膜的通用方法。CVD法制備大面積BDD的技術難點有三:其一，基材的預處理，即均勻地將金剛石晶種種植于基材表面；其二，CVD實施過程中，溫度場的均勻分布；其三，CVD實施過程中，溫度場的均勻分布。而第一個技術難點是關鍵。
[0004]鈦管表面種植金剛石微晶，一般的方法是常溫下的超聲波工藝。200910083262.8公開了一種種晶的方法，將50?10nm的金剛石粉作為晶種通過超聲波的方法均勻分布于鈦管表面。201110182167.0公開了類似的方法，將基材放置于0.1?Ιμπι的金剛石粉末配置的酒精懸濁液中超聲30分鐘。
[0005]超聲波種植金剛石微晶的方法是在常溫下進行，CVD法金剛石晶體生長的溫度為800?100tC，該溫度下，鈦管的膨脹是金剛石的3倍，導致晶種剝落，這是大面積BDD電極不能高溫制備的原因。
[0006]為了克服CVD法制備大面積BDD電極工藝中預處理的不穩定性，本發明提供一種新的預處理方法。
【發明內容】
[0007]本發明的目的是克服CVD法制備大面積BDD電極工藝中晶體種植的不穩定性，提出一種新的種植晶體的方法。利用鈦與金剛石不同膨脹系數的原理，在高溫下種植金剛石微晶，這些晶種更牢固地鑲嵌于鈦管表面的微孔中，CVD法晶體生長的過程中可保證金剛石晶體與基材的牢固的結合力，防止金剛石層的脫落。
[0008]本發明所述鈦管表面種植金剛石微晶的方法是:在高溫下，用研磨管轉動研磨表面具有微孔的鈦管，同時使金剛石微晶粉末與鈦管及研磨管相接觸，利用鈦與金剛石不同的膨脹系數，使金剛石微晶牢固地植入鈦管表面的微孔內。
[0009]具體地，所述鈦管表面種植金剛石微晶的方法包括以下步驟:
[0010]I)鈦管前處理，去除表面雜質；
[0011]2)對前處理后的鈦管進行噴砂，噴砂的目的是在鈦管表面形成微孔，提供金剛石微晶的種植空間；
[0012]3)將鈦管置于種植室內并與研磨管靠近，將金剛石微晶粉末置于鈦管表面；
[0013]4)在高溫下使鈦管和研磨管逆向轉動，使兩者相互研磨，一段時間后停止研磨；
[0014]5)讓鈦管自然冷卻至室溫，即制得表面種植有金剛石微晶的鈦管。
[0015]優選地，所述鈦管與所述研磨管之間的間隙為0.2-0.8mm，最優為0.5_。
[0016]優選地，所述研磨管的直徑大于所述鈦管的直徑;在本發明的一種優選實施方式中，所述研磨管的直徑是所述鈦管直徑的3倍。
[0017]優選地，步驟I)中所述鈦管的前處理包括步驟:
[0018]a)用乙醇或丙酮類有機溶劑充分清洗鈦管表面，達到去油的目的；
[0019]b)用砂紙打磨鈦管表面，以磨去表面的氧化物。
[0020]優選地，步驟3)中所述金剛石微晶粉末的粒徑為5000?10000目。
[0021]優選地，步驟4)中所述鈦管的轉速為20?40轉/分，研磨管的轉速為5?1轉/分。
[0022]優選地，步驟4)中的高溫溫度為600?800°C，可通過電熱絲來加熱整個種植過程。
[0023]優選地，步驟4)中的研磨時間為10?30分鐘，最佳為20分鐘。
[0024]在600?800°C的高溫下，鈦管表面的維孔增大，金剛石微晶的直徑也增大，鈦管的熱膨脹系數約是金剛石的3倍，金剛石微晶更易于鑲嵌于鈦管表面的空隙中。機械研磨10-30分鐘后，電熱絲斷電，鈦管在種植室內自然冷卻，再取出自然冷卻至室溫。從高溫降至室溫，鈦管的收縮程度是金剛石微晶的3倍，因此金剛石可牢固地鑲嵌于鈦管的表面。
[0025]進一步，為了在鈦管表面種植摻硼金剛石微晶，所述方法還需往種植室內通入氣態硼源，即使研磨步驟在氣態硼源氛圍下進行。
[0026]本發明還提供了用于在鈦管表面種植金剛石微晶的設備，包括:密閉的種植室、鈦管及其轉動驅動、研磨管及其轉動驅動、電熱絲、溫控系統；以及在有需要的情況下還包括氣體輸送裝置。
[0027]通過本發明方法種植的金剛石微晶與鈦基材結合更牢固，在CVD法制備大面積BDD電極的過程中不易脫落。以這些晶種為基礎，金剛石不斷生長，最終形成厚度不低于ΙΟμπι的金剛石膜。在應用BDD電極處理污水的過程中，表面的膜不易脫落，電極穩定性好。
[0028]以下將結合附圖對本發明的構思、具體結構及產生的技術效果作進一步說明，以充分地了解本發明的目的、特征和效果。
【附圖說明】
[0029]圖1是微晶種植室內鈦管和研磨管相對位置和結構示意圖；其中，I為鈦管，2為研磨管，3為加熱絲，4為金剛石微晶粉末，5為溫度探測點。
【具體實施方式】
[0030]1、設備準備
[0031]晶體種植過程在一個密閉的種植室內完成，種植室內的主要部件為鈦管I及其轉動驅動、研磨管2及其轉動驅動、電熱絲3、溫控系統并確定其溫度探測點5，此外如需通入氣態硼源，該種植室還應具有氣體輸入口。
[0032]2、鈦管前處理
[0033]制作一根外徑45mm、長300mm的鈦管，用20%的乙醇水溶液充分清洗后，用2000目的砂紙充分打磨;噴砂，在鈦管表面形成若干微孔;再進行第二次清洗。這樣就做好了微晶種植的準備工作。
[0034]3、安裝
[0035]將前處理后的鈦管放置于種植室內，固定于轉動驅動位置;將研磨管也固定于相對應的轉動驅動位置，研磨管的直徑為鈦管直徑的3倍左右，兩管間的間隙為0.5_;將準備好的金剛石微晶粉末4置于兩管之間，金剛石微晶粉末的粒徑為5000?10000目。
[0036]4、研磨
[0037]開啟電熱絲加熱，當探測溫度顯示600°C時，同時開啟鈦管的轉動和研磨管的轉動，且兩者逆向轉動，其轉速分別為20轉/分和5轉/分。研磨時間一般控制在20分鐘左右，溫度始終控制在600?800 °C。研磨好后，停止加熱，讓鈦管在種植室內自然冷卻，溫控顯示至200°C以下后，打開種植室，取出鈦管，在空氣中自然冷卻。金剛石微晶在鈦管表面的種植過程完成。
[0038]以上詳細描述了本發明的較佳具體實施例。應當理解，本領域的普通技術人員無需創造性勞動就可以根據本發明的構思作出諸多修改和變化。因此，凡本技術領域中技術人員依本發明的構思在現有技術的基礎上通過邏輯分析、推理或者有限的實驗可以得到的技術方案，皆應在由權利要求書所確定的保護范圍內。
【主權項】
1.一種鈦管表面種植金剛石微晶的方法，其特征在于所述方法是利用鈦與金剛石不同的膨脹系數，使金剛石微晶牢固地植入鈦管表面的微孔內。2.如權利要求1所述的鈦管表面種植金剛石微晶的方法，其特征在于包括步驟: 1)鈦管前處理； 2)對前處理后的鈦管進行噴砂； 3)將鈦管置于種植室內并與研磨管靠近，將金剛石微晶粉末置于鈦管表面； 4)在高溫下使鈦管和研磨管逆向轉動，使兩者相互研磨，一段時間后停止研磨； 5)讓鈦管自然冷卻至室溫，即制得表面種植有金剛石微晶的鈦管。3.如權利要求2所述的鈦管表面種植金剛石微晶的方法，其特征在于所述鈦管與所述研磨管之間的間隙為0.2-0.8mm。4.如權利要求2所述的鈦管表面種植金剛石微晶的方法，其特征在于步驟I)中所述鈦管的前處理包括步驟: a)用乙醇或丙酮類有機溶劑充分清洗鈦管表面； b)用砂紙打磨鈦管表面。5.如權利要求2所述的鈦管表面種植金剛石微晶的方法，其特征在于步驟3)中所述金剛石微晶粉末的粒徑為5000?10000目。6.如權利要求2所述的鈦管表面種植金剛石微晶的方法，其特征在于步驟4)中所述鈦管的轉速為20?40轉/分，研磨管的轉速為5?10轉/分。7.如權利要求2所述的鈦管表面種植金剛石微晶的方法，其特征在于步驟4)中的高溫溫度為600?800 °C。8.如權利要求2所述的鈦管表面種植金剛石微晶的方法，其特征在于還包括往所述種植室內通入氣態硼源的步驟。9.用如權利要求1-8任一項所述的鈦管表面種植金剛石微晶的方法制備的種植有金剛石微晶的鈦管。10.如權利要求1-8任一項所述的鈦管表面種植金剛石微晶的方法在金剛石電極制作中的應用。
【文檔編號】C02F1/461GK106011776SQ201610554633
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月14日
【發明人】潘凡峰
【申請人】上海開山中夏節能科技有限公司