本發(fā)明屬于超硬材料制備技術領域，涉及到自支撐摻硼金剛石塊體材料的制備方法，特別涉及到污水處理的電極以及能源和化工等領域的催化材料的制備方法。

背景技術：

金剛石薄膜具有優(yōu)異的力學、熱學、光學、電學及化學性能，包括：極高的硬度，寬的禁帶寬度，極高的電阻率及擊穿場強，低的介電常數(shù)，寬的光譜穿透范圍，最高的熱導率，極低的線膨脹系數(shù)，高的載流子遷移率和非常好的化學穩(wěn)定性，可在高溫、強腐蝕、強輻射等苛刻環(huán)節(jié)下使用。正是由于金剛石薄膜的優(yōu)異性能，使得其在光學和某些電子學應用(如探測器和傳感器)已經(jīng)形成了一定的市場，而金剛石膜平板顯示和真空微電子器件、聲表面波器件、微機電系統(tǒng)、電化學等應用研究也已經(jīng)顯示了極佳的市場應用前景。

摻硼金剛石具有較高的活性，可以應用于水處理和作為燃料電池的電極。目前，國內(nèi)外獲得自支撐金剛石塊體材料的方法主要是：采用微波或熱絲化學氣相沉積法，先在塊體襯底材料上沉積金剛石厚膜，然后用拋光技術和腐蝕等工藝去掉襯底。這種制備工藝能耗高、生產(chǎn)周期長，也會造成環(huán)境污染。傳統(tǒng)方法主要采用易于金剛石形核長大的單晶硅，單晶硅襯底需要用金剛石膏進行機械拋光以利于金剛石形核。

另一方面，目前摻硼的方法分為氣體摻硼，液體摻硼和固體摻硼三種方法。氣體摻硼采用了硼烷，硼烷的毒性很大，給實際生產(chǎn)帶來安全隱患；液體摻硼過程中，要將硼源引入到真空室，對真空密封有高的要求；固體摻硼時摻硼量不易精確控制。

本發(fā)明提出了一種新的自支撐摻硼金剛石催化材料的合成方法，能在摻硼的同時直接獲得自支撐金剛石催化材料，該方法具有制備工藝簡單，安全可靠，能耗低，無污染等優(yōu)點。

技術實現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術中存在的問題，本發(fā)明提供一種自支撐摻硼金剛石催化材料的制備方法，利用傳統(tǒng)的化學氣相沉積沉積法，通過改進襯底材料的狀態(tài)，同時實現(xiàn)金剛石材料的自支撐和摻硼。本發(fā)明將活化處理后的納米硅、納米硼或含硼化合物、納米金剛石機械混合，冷等靜壓制備成塊體材料。塊體材料中納米硅主要起支撐作用，納米金剛石只要起增強形核的作用，納米硼或含硼化合物是摻硼源。用傳統(tǒng)的方法在壓制塊狀襯底材料上沉積金剛石后，除去襯底材料得到自支撐金剛石，除去的襯底材料還可以再利用。

本發(fā)明的技術方案如下：

(1)將硼或含硼化合物與硅粉按0.1-1.2％的重量百分比混合，硼或含硼化合物與硅粉的尺寸均為10～50納米；將混合后的硼或含硼化合物與硅粉放入乙醇溶液中，超聲振蕩，形成分散液，過濾后干燥處理。

(2)將金剛石粉放入乙醇溶液中，超聲振蕩，形成分散液；金剛石粉的尺寸為10～50納米。

(3)將步驟(1)干燥后的硼或含硼化合物與硅的納米混合粉冷等靜壓成塊體，再將步驟(2)的金剛石粉分散液均勻滴在塊體上，烘干后再滴，反復2～6次，最后干燥處理得到襯底材料。

(4)將襯底材料放入熱絲化學氣相沉積設備的襯底架上，待本底真空達1×10^-3Torr以上后通入氫氣，在100％氫氣環(huán)境下，進行活化處理，活化處理時熱絲溫度2000-2400℃，熱絲到襯底的距離4-10mm，襯底溫度700-950℃，真空室總壓強20-100Torr，活化處理時間20-40min。

(5)活化處理后立即通入甲烷，甲烷與氫氣的流量比為0.5-1.5％，反應壓力20-100Torr，襯底溫度700-950℃；熱絲溫度2000-2400℃，熱絲與襯底距離4-10mm。當采用較高甲烷濃度時，熱絲溫度取上限；要求金剛石質(zhì)量高時，襯底溫度取上限。沉積時間由金剛石的厚度要求決定。

本發(fā)明有益效果為，本發(fā)明可以直接獲得自支撐金剛石材料，無需后續(xù)處理；硼是利用高溫擴散的原理實現(xiàn)摻雜的。同時實現(xiàn)自支撐和摻硼；工藝簡單，成本低，效率高，安全環(huán)保，除去的襯底材料還可以再利用。

具體實施方式

為了進一步說明本發(fā)明，列舉以下實施例介紹自支撐摻硼金剛石催化材料的制備方法，并不限制發(fā)明的范圍。

實施案例1：

(1)將10nm的硼和硅粉按0.1％的重量百分比混合，放入乙醇溶液中超聲震蕩30min，過濾后烘干；

(2)將10mg粒徑為10nm的金剛石粉放入裝有5mL乙醇的試管中，超聲振蕩30min形成分散液；

(3)將干燥后的納米硼和硅粉冷等靜壓成塊片，壓力40MPa，保持8min。再將金剛石分散液均勻滴在該片上，烘干后再滴入金剛石分散液，反復3次。

(4)將片狀樣品放入反應室中的樣品臺上，燈絲與襯底的距離為5mm，本底真空抽至1×10^-3Torr以上。通入氫氣，并調(diào)節(jié)真空泵的抽速，使反應室內(nèi)氣壓維持在20Torr，加熱鉭絲至2000℃，襯底溫度控制在700℃，燈絲到襯底的距離為4mm，襯底表面活化處理30min。通入甲烷，甲烷與氫氣流量比為0.5％。

實施案例2：

(1)將50nm的三氧化二硼和硅粉按1.2％的重量百分比混合，放入乙醇溶液中超聲震蕩30min，過濾后烘干；

(2)將10mg粒徑為50nm的金剛石粉放入裝有5mL乙醇的試管中，超聲振蕩30min形成分散液；

(3)將干燥后的納米三氧化二硼和硅粉冷等靜壓成塊片，壓力40MPa，保持8min。再將金剛石分散液均勻滴在該片上，烘干后再滴入金剛石分散液，反復3次。

(4)將片狀樣品放入反應室中的樣品臺上，燈絲與襯底的距離為10mm，本底真空抽至1×10^-3Torr以上。通入氫氣，并調(diào)節(jié)真空泵的抽速，使反應室內(nèi)氣壓維持在100Torr，加熱鉭絲至2400℃，襯底溫度控制在950℃，燈絲到襯底的距離為10mm，襯底表面活化處理30min。通入甲烷，甲烷與氫氣流量比為1.5％。

實施案例3：

(1)將20nm的三氧化二硼和硅粉按0.5％的重量百分比混合，放入乙醇溶液中超聲震蕩30min，過濾后烘干；

(2)將10mg粒徑為30nm的金剛石粉放入裝有5mL乙醇的試管中，超聲振蕩30min形成分散液；

(3)將干燥后的納米三氧化二硼和硅粉冷等靜壓成塊片，壓力40MPa，保持8min。再將金剛石分散液均勻滴在該片上，烘干后再滴入金剛石分散液，反復3次。

(4)將片狀樣品放入反應室中的樣品臺上，燈絲與襯底的距離為10mm，本底真空抽至1×10^-3Torr以上。通入氫氣，并調(diào)節(jié)真空泵的抽速，使反應室內(nèi)氣壓維持在50Torr，加熱鉭絲至2200℃，襯底溫度控制在900℃，燈絲到襯底的距離為8mm，襯底表面活化處理30min。通入甲烷，甲烷與氫氣流量比為1.0％。