CN 41-1243/TG ISSN 1006-852X

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掺杂元素 X (B、Al、Sn、Co) 对 IDB-X / Diamond 界面结合性能的影响

简小刚 姚文山 张毅 梁晓伟 胡吉博 陈哲 陈茂林

简小刚, 姚文山, 张毅, 梁晓伟, 胡吉博, 陈哲, 陈茂林. 掺杂元素 X (B、Al、Sn、Co) 对 IDB-X / Diamond 界面结合性能的影响[J]. 金刚石与磨料磨具工程, 2025, 45(1): 37-45. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0068
引用本文: 简小刚, 姚文山, 张毅, 梁晓伟, 胡吉博, 陈哲, 陈茂林. 掺杂元素 X (B、Al、Sn、Co) 对 IDB-X / Diamond 界面结合性能的影响[J]. 金刚石与磨料磨具工程, 2025, 45(1): 37-45. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0068
JIAN Xiaogang, YAO Wenshan, ZHANG Yi, LIANG Xiaowei, HU Jibo, CHEN Zhe, CHEN Maolin. Effect of doped elements X (B, Al, Sn, Co) on binding performance of IDB-X/Diamond interface[J]. Diamond & Abrasives Engineering, 2025, 45(1): 37-45. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0068
Citation: JIAN Xiaogang, YAO Wenshan, ZHANG Yi, LIANG Xiaowei, HU Jibo, CHEN Zhe, CHEN Maolin. Effect of doped elements X (B, Al, Sn, Co) on binding performance of IDB-X/Diamond interface[J]. Diamond & Abrasives Engineering, 2025, 45(1): 37-45. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0068

掺杂元素 X (B、Al、Sn、Co) 对 IDB-X / Diamond 界面结合性能的影响

doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0068
基金项目: 国家自然科学基金(51275358);中央高校专项基金(20140750)。
详细信息
    作者简介:

    通信作者:简小刚,男,1975年生,博士、副教授。主要研究方向:涂层制备与性能检测。E-mail:jianxgg@tongji.edu.cn

  • 中图分类号: TQ164;TG58;TG74

Effect of doped elements X (B, Al, Sn, Co) on binding performance of IDB-X/Diamond interface

  • 摘要: 基于量子力学第一性原理,建立了IDB-B/Diamond、IDB-Al/Diamond、IDB-Sn/Diamond和IDB-Co/Diamond 4种膜基界面模型,计算了膜基界面结合能、差分电荷密度和布居数,以探究孕镶金刚石钻头(impregnated diamond bits, IDB)基体中的常用元素X(X = B、Al、Sn、Co)对 IDB-X/Diamond膜基结合强度的影响机制。计算结果表明:膜基界面结合能大小为Wad-B > Wad-Al > Wad-Co > Wad-Sn;B、Al是增强膜基结合强度的有益元素,因为B、Al原子的电荷主要转移到掺杂位点附近的C1~C3原子,其与C1~C3原子的键合作用强;Sn、Co会削弱膜基结合强度,这是由于Sn、Co原子与C1~C3原子的键合作用弱,同时膜基界面间的其他C原子因俘获电荷而相斥。压痕对比的实验结果与仿真结论相符。

     

  • 当前,地表资源接近枯竭,资源勘探和开采持续向地下深层扩张[1],孕镶金刚石钻头(impregnated diamond bits, IDB)以其优异的切削性能和对高温高压环境优良的耐受力,成为地下深层钻进的主要工具[2]

    IDB一般是将金属粉料与金刚石颗粒混合均匀后,采用粉末冶金的方法热压烧结而成[3]。Sn和Co是IDB基体中常用的金属黏结剂[2,4],可增强基体对金刚石颗粒的把持力;在IDB基体配方中添加B元素可以提高金刚石颗粒的抗氧化性和IDB整体的耐磨性[2,5],加强金刚石颗粒和基体之间的结合力[6];添加Al 元素可以提高基体强度[2]和致密度[4],降低基体界面张力和表面张力[7]

    本课题组提出在IDB表面原位沉积一层CVD 金刚石涂层,实现金刚石涂层的同质外延生长和异质外延生长,进一步提高IDB的工作寿命。大量宏观实验研究指出,在金刚石涂层与基底界面间引入B元素[8-9]或者在过渡层中引入Al元素[10-11] ,有利于提高膜基结合力。关于Sn元素对膜基界面性能影响的研究较少。由于Co是IDB中综合性能良好的金属黏结剂,且会削弱膜基结合强度[12],故本文引入Co元素作为对照。

    基于量子力学第一性原理,借助CASTEP计算工具,从微观角度研究IDB基体中常用的X(X = B、Al、Sn、Co)元素对孕镶金刚石基底与CVD金刚石涂层膜基界面结合性能的影响机制,为优化IDB基体配方和提高膜基界面结合强度提供理论参考与依据。

    借助量子力学计算软件Materials Studio,以IDB表层的金刚石颗粒为基底[13],采用基底表层原子替代的方式[14],建立含X(X = B、Al、Sn、Co)原子的IDB-X/Diamond膜基界面模型。其中,基底表层原子替代指在建立好孕镶金刚石基底后,分别用B、Al、Sn、Co原子替代基底表层特定位点的C原子。

    参考文献[13]的建模方法,首先,分别建立孕镶金刚石基底和CVD金刚石涂层的单晶胞模型;其次,分别进行[100]晶向的切晶胞处理,因为在结构优化过程中膜基界面模型的原子相对位置变化主要集中于最外3层原子,为保证模型的稳定性,经表面能收敛性测试,切取C原子厚度定为5层;接着,建立3 × 3的孕镶金刚石基底和CVD金刚石涂层超晶胞模型,其沿XYZ方向的尺寸均为7.54 Å × 7.54 Å × 3.56 Å,分别添加厚度为12 Å的真空层后得到孕镶金刚石基底模型和CVD金刚石涂层模型;然后,将孕镶金刚石基底模型表面特定位点的C原子用X(X = B、Al、Sn、Co)原子进行替代,替代位点如图1所示;最后,将X(X = B、Al、Sn、Co)原子替代后的IDB-X基底与CVD金刚石涂层模型沿[100]晶面结合,建立IDB-X/Diamond膜基界面模型,测试后,设置膜基界面间距为2 Å,如图2所示。由于所建膜基界面模型中基底与涂层为同种晶胞构建而来,且基底晶面和涂层晶面尺寸相同,故两晶面之间的结合稳定性优异,界面适配度好。

    图  1  替换位点示意图
    Figure  1.  Schematic diagram of replacement site
    图  2  IDB-X/Diamond膜基界面模型图
    Figure  2.  IDB-X/Diamond membrane-based interface model diagram

    基于密度泛函理论的CASTEP第一性原理计算方法,广泛应用于研究包括金刚石材料在内的陶瓷、金属、半导体等各种晶体材料及其表界面性质[15]

    本文采用Materials Studio的CASTEP模块优化X(X = B、Al、Sn、Co)原子掺杂的IDB-X/Diamond膜基界面模型,进而从膜基界面结合能、差分电荷密度、原子和化学键重叠布居数方面来分析4种膜基界面模型的性质。选用广义梯度近似下的交换关联泛函GGA-PBE,平面波截断能设置为400 eV,采用超软赝势(ultrasoft pseudopotential),布里渊区k点取样精度为3 × 3 × 1,能量计算收敛判据为1 × 10−5 eV/atom,原子最大受力不超过0.3 eV/nm,原子最大位移不超过1 × 10−4 nm,原子最大应力为0.05 GPa,结构优化算法采用BFGS。结构优化后的IDB-X/Diamond膜基界面模型如图3所示。

    图  3  结构优化后的IDB-X/Diamond膜基界面模型
    Figure  3.  Optimized structure of IDB-X/Diamond membrane-based interface model

    膜基界面结合能可以反映涂层和基底的黏附效果,通常膜基界面结合能越大,膜基的黏附效果越好,其计算公式[16]为:

    $$ {{W}}_{\mathrm{a}\mathrm{d}-\mathrm{X}}=\frac{{{E}}_{\mathrm{I}\mathrm{D}\mathrm{B}-\mathrm{X}} + {{E}}_{\mathrm{D}\mathrm{i}\mathrm{a}\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{n}\mathrm{d}}-{{E}}_{\mathrm{I}\mathrm{D}\mathrm{B}-\mathrm{X}/\mathrm{D}\mathrm{i}\mathrm{a}\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{n}\mathrm{d}}}{{A}} $$

    其中,Wad-X为X(X = B、Al、Sn、Co)原子掺杂的膜基界面结合能,EIDB-XEDiamondEIDB-X/Diamond分别为结构优化后的IDB-X基底、CVD金刚石涂层和IDB-X/Diamond膜基界面模型的能量,A为优化后膜基界面的面积。膜基界面结合能计算结果如表1所示。

    表  1  IDB-X/Diamond膜基界面结合能
    Table  1.  IDB-X/Diamond membrane-based interface binding energy
    掺杂元素 X EIDB-X / eV EDiamond / eV EIDB-X/Diamond / eV A / Å Wad-X /(J·m−2
    B 6773.67 6913.28 13728.42 56.90 11.68
    Al 6738.01 13686.58 9.94
    Co 8709.79 15649.28 7.38
    Sn 6812.62 13750.23 6.85
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    表1 可知,B、Al、Co、Sn原子掺杂的膜基界面结合能分别为11.68 、9.94 、7.38 、6.85 J/m2。以膜基界面结合能的削弱相Co[13]为基准,则B、Al原子掺杂的IDB-B和IDB-Al基底与CVD金刚石涂层的膜基界面结合能明显高于Co原子的,说明基底中的B、Al元素对于膜基结合强度的提高是有利的;而Sn原子掺杂的IDB-Sn基底与CVD金刚石涂层的膜基界面结合能与Co原子掺杂的相近,说明基底中的Sn元素同样对膜基结合强度有削弱作用。

    2.2.1   差分电荷密度分析

    差分电荷密度能反映膜基界面间电荷转移以及原子间成键情况,从电子云的相互作用入手,进一步揭示膜基界面结合的机理。由于每个膜基界面模型中2个掺杂原子呈对称结构,故取其中一个掺杂原子及其附近的C1~C3原子展开电荷分析,电荷取样点位如图4所示。图5展示了B、Al、Sn、Co原子掺杂的膜基界面模型的差分电荷分布图。

    图  4  电荷取样及布居点位图
    Figure  4.  Charge sampling and Mulliken population point bitmap
    图  5  IDB-X/Diamond膜基界面差分电荷分布图
    Figure  5.  Differential charge distribution at IDB-X/Diamond membrane-based interface

    图5可知:B、Al、Sn、Co原子的电荷均有向周围的C原子,尤其是向C1~C3原子转移的倾向,且向C1原子转移电荷的倾向更明显,这表明4种掺杂原子与涂层中的C原子产生的电荷作用更强。从图5a可以明显看出B原子的电荷向C1~C3原子转移,并且转移的电荷密度均较高,这反映了B原子与C1~C3原子的电荷作用均较强,形成了紧密的键合作用,有利于膜基结合强度的提高。图5b中Al原子转移电荷的倾向主要集中于C1和C2原子,向C3原子转移电荷的倾向不明显,表明Al原子与C1和C2原子的键合作用可能更强,能有效黏结涂层和基底。图5c中Sn原子向C1原子转移电荷的倾向明显,但是向C2和C3原子转移电荷的倾向略弱,表明Sn原子与基底C原子的电荷作用力较弱,不利于提高膜基结合强度。图5d中Co原子向C1和C3原子有较弱的电荷转移倾向,向C2原子转移电荷倾向不明显,表明Co原子与涂层和基底的电荷作用均较弱,不能有效黏结涂层和基底。

    2.2.2   布居数分析

    原子布居数可以反映各原子的得失电子情况,化学键重叠布居数可以反映原子间键合作用的强弱,其越大则原子间成键越稳定[17]。本文按图4所示点位,计算了X(X=B、Al、Sn、Co)掺杂原子与C1~C3原子的原子布居数(见表2)和化学键重叠布居数(见表3)。

    表  2  原子布居数
    Table  2.  Mulliken atomic population
    掺杂元素X 原子种类 原子布居数 失电荷数 φ 有效电荷利用率 λ / %
    s p d 总电子数 n
    B C1 1.13 3.08 0.00 4.21 −0.21e 98
    B 0.70 1.71 0.00 2.41 0.59e
    C2 1.16 3.02 0.00 4.18 −0.18e
    C3 1.16 3.03 0.00 4.19 −0.19e
    Al C1 1.21 3.22 0.00 4.43 −0.43e 58
    Al 0.57 0.54 0.00 1.11 1.89e
    C2 1.17 3.19 0.00 4.36 −0.36e
    C3 1.16 3.15 0.00 4.31 −0.31e
    Sn C1 1.16 3.18 0.00 4.34 −0.34e 43
    Sn 0.48 1.46 0.00 1.94 2.06e
    C2 1.16 3.11 0.00 4.27 −0.27e
    C3 1.15 3.13 0.00 4.28 −0.28e
    Co C1 1.23 3.00 0.00 4.23 −0.23e 39
    Co 0.10 −0.60 7.79 7.29 1.71e
    C2 1.19 3.03 0.00 4.22 −0.22e
    C3 1.16 3.05 0.00 4.21 −0.21e
    注:有效电荷利用率 = [−(φC1 + φC2 + φC3) / φX] ×100%,X = B、Al、Sn、Co。
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    表  3  化学键重叠布居数
    Table  3.  Overlapping population of chemical bonds
    掺杂元素X 重叠布居数 键长 / Å
    B C1—B 1.07 1.490
    C2—B 0.87 1.550
    C3—B 0.87 1.540
    Al C1—Al 0.60 1.822
    C2—Al 0.57 1.858
    C3—Al 0.03 1.955
    Sn C1—Sn 0.53 1.923
    C2—Sn 0.38 1.995
    C3—Sn 0.36 1.989
    Co C1—Co 0.26 1.882
    C2—Co −0.17 1.886
    C3—Co 0.24 1.907
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    表2可知:B、Al、Sn、Co原子掺杂的膜基界面模型中,B、Al、Sn、Co均失去电子带正电,其失电荷数分别为0.59e、1.89e、2.06e和1.71e,而4种掺杂原子附近的C1~C3原子均得到电子带负电,4种掺杂原子与C1~C3原子之间存在明显的电荷转移,表明膜基界面间存在C—B、C—Al、C—Sn和C—Co 4种键合作用。C1~C3原子对B、Al、Sn、Co原子失去电荷的有效利用率分别为98%、58%、43%和39%,其中C1~C3原子对B原子失去电荷的有效利用率接近100%,表明B原子贡献的电荷几乎都用于和C1~C3原子成键,B原子起到膜基连接节点的作用,有利于膜基结合;C1~C3原子对Al原子失去电荷的有效利用率高于50%,表明Al原子与C1~C3原子成键的同时还与其他C原子成键,导致这一部分C原子因得电子而带同种电荷产生斥力,然而Al原子用于产生引力的电荷数大于产生斥力的电荷数,故Al原子掺杂仍有益于膜基结合;C1~C3原子对Sn、Co原子失去电荷的有效利用率均低于50%,表明Sn、Co原子失去电荷中的大部分电荷被界面间其他C原子俘获,导致膜基界面间C原子产生的斥力较多,既不利于Sn、Co原子与C1~C3成键,又会进一步削弱膜基结合强度。

    表3可以发现,C1与4种掺杂原子之间的化学键重叠布居数均大于C2、C3的,表明基底表层掺杂的B、Al、Sn、Co原子均更倾向于向金刚石涂层移动,与涂层中的C原子成键,这一点也与上文的差分电荷密度分析一致。C—B键的重叠布居数最大且键长最小,说明C—B键的键能更大,成键更稳定,同时C—B键的长度最接近金刚石中C—C键的长度1.54 Å,表明B原子掺杂引起的晶格畸变很小,有利于维持金刚石构型。C—Al键的重叠布居数次之,虽然C3—Al的重叠布居数小,但C1—Al与C2—Al的重叠布居数较大且比较接近,表明Al原子与涂层和基底中的C原子成键较为对称,成键稳定性较高,是连接涂层和基底的有益元素,同时C—Al键的键长较小,键能较大,有利于膜基结合。C—Sn键与C—Co键的重叠布居数均较小,就Sn元素而言,虽然C1—Sn的重叠布居数略大,但是C2—Sn与C3—Sn的重叠布居数均较小,表明Sn原子与基底的连接较弱,不利于膜基结合;对于Co元素来说,C—Co键的重叠布居数均较小,且C2—Co成反键,最能削弱膜基结合强度。

    压痕实验可以直接表现涂层化合物的界面结合性能[18],裂纹越多,压痕凹坑越深,凹坑面积越大,则认为膜基结合强度越差。本文采用B、Al、Sn、Co元素引晶预处理的方式[19]将4种元素掺入膜基界面,进而使用微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)设备在孕镶金刚石颗粒硬质合金基底上沉积金刚石涂层,采用相同的实验参数:CH4流量4 sccm,H2流量200 sccm,CO2流量6 sccm,Ar流量15 sccm,压强7 kPa,温度800 ℃,沉积时间9 h。然后使用HR-150A洛氏硬度仪,采用天然金刚石压头,施加588 N的试验压力进行压痕实验,进而使用VHX-2000超景深显微镜拍摄压痕形貌来对比分析4种掺杂元素对膜基结合强度的影响。图6展示了4种压痕形貌。

    图  6  压痕形貌
    Figure  6.  Indentation morphology

    图6a图6b可以发现,B、Al元素引晶预处理的金刚石涂层压痕较浅,凹坑面积较小,表明IDB-B/Diamond和IDB-Al/Diamond的膜基结合强度高,其中B元素引晶预处理的金刚石涂层压痕凹坑面积最小,表明B元素最利于增强膜基结合强度,Al元素次之。图6c图6d中Sn、Co元素引晶预处理的金刚石涂层压痕较深且压痕凹坑面积较大,图6d中凹坑面积最大,表明IDB-Sn/Diamond和IDB-Co/Diamond的膜基结合效果较差,膜基界面间引入Sn、Co元素会削弱膜基结合强度。

    基于第一性原理探究了IDB基体中的常用元素X(X = B、Al、Sn、Co)对IDB-X/Diamond膜基界面结合性能的影响,计算了膜基界面结合能、差分电荷密度和布居数,揭示了能量和电荷的变化情况,并采用MPCVD设备沉积金刚石涂层开展压痕实验,得到以下结论:

    (1)从能量方面来看,4种元素掺杂的膜基界面结合能大小为Wad-B(11.68 J/m2)>Wad-Al(9.94 J/m2)>Wad-Co(7.38 J/m2)>Wad-Sn(6.85 J/m2)。以膜基界面结合能的削弱相Co元素为基准,则B、Al元素掺杂有利于提高膜基结合强度,Sn元素掺杂的膜基界面结合能与Co元素相近,表明Sn元素掺杂同样会削弱膜基结合强度。

    (2)从电荷方面来看,B、Al原子的电荷主要转移到掺杂位点附近的C1~C3原子,其有效电荷利用率分别为98%和58%,C—B、C—Al键的重叠布居数均较高,表明B、Al原子与C1~C3原子的成键较强,起到了膜基连接节点的作用,能提高膜基结合强度;Sn、Co原子的有效电荷利用率均﹤50%,表明大量电荷转移到膜基界面间除C1~C3原子之外的其他C原子,导致Sn、Co原子与C1~C3原子的成键较弱,同时其他C原子由于得电荷而相斥,削弱膜基结合强度。

    (3)从压痕实验来看,B元素引晶预处理的金刚石涂层与孕镶金刚石基底的结合强度最高,Al元素次之,Sn、Co元素较差。

  • 图  1  替换位点示意图

    Figure  1.  Schematic diagram of replacement site

    图  2  IDB-X/Diamond膜基界面模型图

    Figure  2.  IDB-X/Diamond membrane-based interface model diagram

    图  3  结构优化后的IDB-X/Diamond膜基界面模型

    Figure  3.  Optimized structure of IDB-X/Diamond membrane-based interface model

    图  4  电荷取样及布居点位图

    Figure  4.  Charge sampling and Mulliken population point bitmap

    图  5  IDB-X/Diamond膜基界面差分电荷分布图

    Figure  5.  Differential charge distribution at IDB-X/Diamond membrane-based interface

    图  6  压痕形貌

    Figure  6.  Indentation morphology

    表  1  IDB-X/Diamond膜基界面结合能

    Table  1.   IDB-X/Diamond membrane-based interface binding energy

    掺杂元素 X EIDB-X / eV EDiamond / eV EIDB-X/Diamond / eV A / Å Wad-X /(J·m−2
    B 6773.67 6913.28 13728.42 56.90 11.68
    Al 6738.01 13686.58 9.94
    Co 8709.79 15649.28 7.38
    Sn 6812.62 13750.23 6.85
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    表  2  原子布居数

    Table  2.   Mulliken atomic population

    掺杂元素X 原子种类 原子布居数 失电荷数 φ 有效电荷利用率 λ / %
    s p d 总电子数 n
    B C1 1.13 3.08 0.00 4.21 −0.21e 98
    B 0.70 1.71 0.00 2.41 0.59e
    C2 1.16 3.02 0.00 4.18 −0.18e
    C3 1.16 3.03 0.00 4.19 −0.19e
    Al C1 1.21 3.22 0.00 4.43 −0.43e 58
    Al 0.57 0.54 0.00 1.11 1.89e
    C2 1.17 3.19 0.00 4.36 −0.36e
    C3 1.16 3.15 0.00 4.31 −0.31e
    Sn C1 1.16 3.18 0.00 4.34 −0.34e 43
    Sn 0.48 1.46 0.00 1.94 2.06e
    C2 1.16 3.11 0.00 4.27 −0.27e
    C3 1.15 3.13 0.00 4.28 −0.28e
    Co C1 1.23 3.00 0.00 4.23 −0.23e 39
    Co 0.10 −0.60 7.79 7.29 1.71e
    C2 1.19 3.03 0.00 4.22 −0.22e
    C3 1.16 3.05 0.00 4.21 −0.21e
    注:有效电荷利用率 = [−(φC1 + φC2 + φC3) / φX] ×100%,X = B、Al、Sn、Co。
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    表  3  化学键重叠布居数

    Table  3.   Overlapping population of chemical bonds

    掺杂元素X 重叠布居数 键长 / Å
    B C1—B 1.07 1.490
    C2—B 0.87 1.550
    C3—B 0.87 1.540
    Al C1—Al 0.60 1.822
    C2—Al 0.57 1.858
    C3—Al 0.03 1.955
    Sn C1—Sn 0.53 1.923
    C2—Sn 0.38 1.995
    C3—Sn 0.36 1.989
    Co C1—Co 0.26 1.882
    C2—Co −0.17 1.886
    C3—Co 0.24 1.907
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-03-21
  • 修回日期:  2023-12-17
  • 录用日期:  2024-04-23
  • 网络出版日期:  2025-03-24
  • 刊出日期:  2025-02-20

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