南航、郑大与惠丰钻石：金刚石/金属复合材料界面优化迎来新思路

金刚石因其超高硬度、极致导热性和化学稳定性，在超硬工具、热管理及光学领域广受青睐。但在制备铜、铝基金属基复合材料（MMCs）时，金刚石颗粒与金属基体之间润湿性差、界面结合弱，严重制约复合材料性能。

研究表明，通过在金刚石表面构建微结构（如刻蚀坑），可以显著提升界面结合强度并优化热传输路径。因此，发展可控、高效的表面刻蚀技术，成为当前材料领域的重要方向。

近期，来自南京航空航天大学、郑州大学、惠丰钻石的研究团队在期刊《Diamond & Related Materials》发表论文《Study on the etching mechanism of different crystal planes of diamond in molten potassium nitrate》，系统研究了熔融硝酸钾体系中金刚石不同晶面的刻蚀行为与机理。该工作从热力学、动力学及微观结构多尺度出发，揭示了金刚石表面微结构构建的关键规律，对热管理复合材料界面工程具有重要指导意义。

该研究采用熔融硝酸钾体系对HPHT法制备的Ib型金刚石颗粒进行刻蚀处理，在600–700℃条件下，通过SEM与拉曼光谱等手段系统分析了不同晶面（{100}与{111}）的形貌演化规律。结果表明，金刚石刻蚀具有显著的晶面各向异性：{100}晶面形成尺寸较小的方形刻蚀坑，而{111}晶面则形成尺寸更大的三角形刻蚀坑。随着温度升高和时间延长，刻蚀坑密度与尺寸持续增加，并逐步发生融合与表面重构。刻蚀过程优先从表面缺陷（如位错、杂质）处启动，并向周围扩展，在{111}晶面上还表现出由“尖底坑”向“平底坑”的演化特征。

在机理层面，研究从动力学与热力学角度揭示了刻蚀本质：硝酸钾刻蚀属于碳的氧化反应，在实验温区内具有自发性且高温促进反应进行。尽管{111}晶面具有更高的活化能，但由于其缺陷密度更高、活性位点更多，其刻蚀速率始终显著高于{100}晶面。拉曼结果进一步证明，该过程不会引发石墨化，金刚石主体结构保持稳定，仅表面发生氧化并生成气态产物脱附。整体来看，刻蚀由缺陷主导起始，并受晶向刻蚀速率竞争控制，最终决定表面微结构形貌。

总体来看，该研究系统揭示了熔融硝酸钾体系中金刚石刻蚀的多尺度机制：从热力学可行性、动力学控制，到缺陷主导的微观反应路径，再到宏观形貌演化规律，构建了较为完整的理论框架。对于金刚石/铜、金刚石/铝等高导热复合材料而言，这一研究为界面结构设计和性能优化提供了重要依据。

从产业角度看，随着AI算力、功率电子和高端封装对散热能力要求的不断提升，金刚石作为极限热导材料的应用正加速落地。而类似熔盐刻蚀这样的低成本表面工程技术，有望成为推动金刚石热管理材料规模化应用的关键工艺路径之一。

图文导读

图1. 不同反应过程的ΔG-T图

图2. 未蚀刻金刚石表面：（a）111晶面；（b）100晶面

图3. 显示在不同温度下经30分钟蚀刻后金刚石{100}晶面表面形貌的扫描电子显微镜（SEM）图像：(a1, a2) 600 ◦C，(b1, b2) 625 ◦C，(c1, c2) 650 ◦C，(d1, d2) 675 ◦C，(e1, e2) 700 ◦C。