硼也是个神奇的元素——硼对金刚石性能的影响

关键词 金刚石|2022-07-15 11:43:09|来源 中国超硬材料网
摘要 前面讲了氮、氧元素对金刚石性能的影响,今天分享硼元素对金刚石性能的影响,硼也是个很神奇的元素......

前面讲了氮、氧元素对金刚石性能的影响,今天分享硼元素对金刚石性能的影响,硼也是个很神奇的元素。

微信截图_20220713085353.png

       金刚石是碳的一种结构。在金刚石晶体中,每个碳原子有4个最邻近的碳原子和12个次邻近的碳原子。在一个单位立方体内有8个原子。由于硼原子的半径较碳原子半径小,容易进入金刚石晶体晶格中,硼在金刚石晶体中存在3种可能的形式:一种是硼原子取代碳原子的位置;第二种是硼原子位于碳原子之间;第三种是硼原子还可填补金刚石晶体生长过程中所出现的缺陷,特别是表面缺陷,它们都会对金刚石晶体性能产生影响。

       金刚石晶体中的硼可通过添加硼或硼化物的途径来实现。由于硼原子的引入,使金刚石的抗氧化性、导电性、化学情性及力学性质都发生了明显的变化。

       含硼金刚石晶体中的硼含量一般很低,但对改善和提高金刚石晶体性能的影响是显著的。研究结果表明,硼元素对金刚石的影响主要在以下几个方面:

       一、抗氧化性能

       含硼金刚石抗氧化性比普通金刚石好,并随其中硼含量增加而增加。

       在金刚石晶体表面上,每个碳原子只用3个价电子与内部的3个碳原子形成共价键,还有1个悬键没有被利用,因而容易与外来缺电子的原子发生反应。由氧原子的电子配布式1s2 2s2 2p4可知,还有两个电子才能把2P排满,因此是一个缺电子原子,当它与金刚石表面的碳原子接触时,就很容易吸收碳原子多余的电子而相互结合成键,最后形成CO跑掉,这个现象就是金刚石的氧化。

       当金刚石中掺进硼时,由硼原子的电子配布式1s22s22p1可知,硼为三价。结构示意图如下图所示,从中可以看出含硼金刚石和普通金刚石的主体结构相似,只是由于碳原子的一些位置被硼原子替代,使其具有了不同的原子结构。硼的3个价电子与碳原子的悬键结合成共价键,使得含硼金刚石结构没有悬键,即多余价电子被结合,形成了硼碳原子相结合的共价键并具有稳定的状态,所以含硼金刚石具有抗氧化性和耐热性,实验表明,含硼金刚石的表面起始氧化温度比普通金刚石的高150℃~250℃。

微信截图_20220713085415.png

       二、抗压强度

       我们所熟知的金刚石晶形越完整,抗压强度越高;反之则低。普通金刚石晶形完整,多呈等积形,而含硼金刚石晶形不完整,虽非等积状。理论上含硼金刚石的抗压强度值应低于普通金刚石,但实测结果却是含硼金刚石抗压强度还稍高于普通金刚石。

       人造金刚石由于生长过程中的某些原因,致使其存在气泡、位错、杂质包裹体等缺陷,这些缺陷将导致其机械性能远远低于理论值。由于硼原子半径较小,在高温(1273K)时化学活性迅速增加。因此,硼原子能在石墨转化金刚石过程中较容易填补到金刚石的缺陷处;使金刚石的结构更为致密,从而使金刚石强度提高。

       三、导电性

       金刚石晶体构造是典型的原子晶格,典型的原子晶格中无自由电子存在,因而是不导电的。普通金刚石之所以是绝缘体,不但因为它有4个价电子,而且禁带宽度很大,约5.5电子伏特。

       实践证明,微量的化学杂质可以控制半导体的电导率。例如,以1个硼原子和105个硅原子的比例将硼加入硅内,则在室温下,电导率增加103倍,因为典型的三价杂质硼可从价带内取得电子,而留下空穴。

       如将硼原子引入金刚石晶体,其能带状态将发生变化。因为硼的外围只有3个电子,在组成价健时总缺少1个电子,形成1个负电中心,也就产生了1个空穴;由于硼原子的引入,使得空穴数目大大增加,所以其导电性也就大大增强。

       四、化学惰性

       化学惰性在这里表现在普通金刚石和含硼金刚石对铁及其合金的亲合力的大小,即一般所说的粘附性上。为什么普通金刚石在加工铁及其合金时产生严重的粘附,而含硼金刚石则很少产生粘附呢?

       跟前面所讲抗氧化性能原理相似,普通金刚石表面碳原子多余1个价电子没有利用,而Fe(γ )是1个缺电子原子,3d层尚未填满,并具有吸引金刚石表面碳原子的能力,再加上它们晶体结构的相似性和密排面上的间距十分接近,因此金刚石的密排面(111)面容易与Fe(γ )的密排面(111)面接触,而且两者密排面上的原子有很好的对应关系,这种对应关系及其间的相互作用揭示出严重粘附的内在原因。

       如果硼原子与金刚石晶体表面碳原子多余的1个价电子结合,使得表面与原来的金刚石表面结构有着明显的不同。虽然变化后的表面结构与Fe(γ )密排面上的原子也呈良好的对应关系,但因它没有多余的价电子与Fe(γ )密排面上原子相互作用(联接成键)而产生粘附作用。

       所以不会产生粘刀现象,不形成切削瘤,工件的加工质量显著提高。

       五、颜色

       金刚石由于硼含量浓度的不同,分别呈无色、蓝色或黑色。现已广泛用于半导体材料以及磨料磨具材料。

       六、冲击韧性

       黑色含硼金刚石工具有良好的冲击韧性,制成的刀具在载荷断续切削硅铝合金、钛合金、玻璃钢等材料时具有较长的寿命。

       七、耐磨性

       含硼金刚石具有良好的耐磨性,适合研磨硬而韧的材料,还可用作耐磨涂层、磨料、钻头、切削刀具等。

       八、半导体性能

       对于纯净的金刚石而言,由于它内部没有自由移动的电子且具有5.5ev的宽禁带,因此电阻率很高,可作良好的电绝缘体;不过当金刚石中掺入第Ⅲ族或者第Ⅴ族元素后,金刚石可由绝缘体转变为半导体甚至导体。具有三个价电子的硼原子进入金刚石晶格后会以替位形式取代碳原子成为受主中心,晶格中产生空穴载流子,金刚石成为空穴半导体,这种掺杂称为P型掺杂。随硼含量的增加,金刚石的电导率增加。在高温、大功率电子器件的应用方面具有极大发展前景。

  ① 凡本网注明"来源:金刚石刀具网"的所有作品,均为河南远发信息技术有限公司合法拥有版权或有权使用的作品,未经本网授权不得转载、摘编或利用其它方式使用上述作品。已经本网授权使用作品的,应在授权范围内使用,并注明"来源:金刚石刀具网"。违反上述声明者,本网将追究其相关法律责任。
② 凡本网注明"来源:XXX(非金刚石刀具网)"的作品,均转载自其它媒体,转载目的在于传递更多信息,并不代表本网赞同其观点和对其真实性负责。
③ 如因作品内容、版权和其它问题需要同本网联系的,请在30日内进行。
※ 联系电话:0371-67667020

延伸推荐

燕山大学合成出世界最硬的金刚石块材

燕山大学合成出世界最硬的金刚石块材

​近日,燕山大学亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室田永君院士团队联合南京理工大学、宁波大学研究人员,在超硬材料领域再次实现重大突破,成功合成出硬度达2...

日期 2026-01-15   刀具新闻
山东大学团队在金刚石线切割技术上的突破

山东大学团队在金刚石线切割技术上的突破

​随着第三代宽禁带半导体材料的快速发展,碳化硅(SiC)以其高击穿电场、优异电子饱和速度和出色热导率,已成为高温、高频、高功率电子器件的核心衬底材料。然...

日期 2026-01-15   刀具新闻
全自动拉丝模烧结机 | 精准高效打造金刚石线锯核心模具

全自动拉丝模烧结机 | 精准高效打造金刚石线锯核心模具

​金刚石线锯是将金刚石微粉固定在金属母线上制成的切割工具,主要用于光伏硅片、蓝宝石、半导体等硬脆材料的高精度加工,具有高效、环保、低损耗等优势........

日期 2026-01-09   刀具新闻
Orbray与韩国科技大学合作:异质外延金刚石高性能常关功率FET

Orbray与韩国科技大学合作:异质外延金刚石高性能常关功率FET

​随着航空航天电子系统对高性能、高可靠性功率器件需求的不断提升,金刚石因其超宽禁带(5.5eV)、高载流子迁移率、优异热导率、高击穿场强以及极强的抗辐射...

日期 2026-01-05   刀具新闻
武汉这条地铁开始穿越长江,盾构机“牙齿”镶上了金刚石

武汉这条地铁开始穿越长江,盾构机“牙齿”镶上了金刚石

​1日,随着开挖直径达13.28米的“通途号”盾构机刀盘正式转动,由武汉地铁集团建设、中铁十四局施工的武汉地铁10号线一期工程正式开启穿越长江之旅......

日期 2026-01-05   刀具新闻
木垒12.55万克拉人造金刚石项目正式投产

木垒12.55万克拉人造金刚石项目正式投产

12月23日,新疆臻星新材料科技有限公司木垒12.55万克拉人造金刚石项目在木垒工业园区正式投产。该项目从签约到投产仅用10个月,总投资4.7亿元,占地...

日期 2025-12-31   刀具新闻
启晶科技启动金刚石半导体产业化项目Pre-A 轮融资商谈

启晶科技启动金刚石半导体产业化项目Pre-A 轮融资商谈

​2025年12月29日,华宸资本董事长华海波率队莅临启晶科技开展Pre-A轮投资决策尽职调查。公司董事长张航、总经理程衍喆携核心团队全程接待,并举行战...

日期 2025-12-31   刀具新闻
恒盛能源:目前MPCVD金刚石二期项目扩产新建生产线已经陆续投产

恒盛能源:目前MPCVD金刚石二期项目扩产新建生产线已经陆续投产

​12月25日,恒盛能源在互动平台回复投资者提问时称,公司控股子公司浙江桦茂科技有限公司主导的金刚石业务二期项目扩产新建生产线已经陆续投产,同时就金刚石...

日期 2025-12-31   刀具新闻
惠丰钻石拟投资10亿元在包头市建设CVD金刚石项目

惠丰钻石拟投资10亿元在包头市建设CVD金刚石项目

​惠丰钻石12月17日公告,拟在内蒙古包头市昆都仑区投资建设CVD金刚石项目,总投资额预计10亿元,资金来源于公司自有现金。该项目计划分两期推进,公司将...

日期 2025-12-23   刀具新闻
科学家成功合成高品质黑金刚石

科学家成功合成高品质黑金刚石

​金刚石并非只有晶莹剔透的白色形态。其色泽的多样性来源于晶体结构内部的微量元素或包裹体的差异。今天要提到的是黑金刚石(Carbonado),俗称“黑钻石...

日期 2025-12-23   刀具新闻