连载 | 金刚石微粉与Zeta电位：Zeta电位调控在金刚石微粉工业中的应用举例（二）
官泽贵
中国颗粒学会青年理事。曾在香港浸会大学United International College从事教学与科研工作。后在全球领先的跨国分析仪器集团公司从事大客户经理，区域市场经理，Senior产品专家，Senior大客户顾问等工作，具有多年分析仪器行业和实验室领域相关工作经验，致力于为客户提供实验室分析检测解决方案。加入马尔文帕纳科集团后专注于颗粒表征领域，钻研粉体粒度分析检测技术，非常熟悉了解客户的测试需求和仪器应用。在激光粒度分析仪，纳米粒度分析仪、颗粒图像分析仪、在线粒度分析仪等多种粒度分析仪器及其应用领域积累了丰富的经验。
现任珠海欧美克仪器有限公司产品经理。开展市场研究和颗粒表征技术研究工作，致力于粉体粒度分析测试前沿技术的产品转化和仪器的商品化，为用户提供可靠的高性价比仪器，在帮助工业用户产业技术升级的过程中起到积极的作用。在检测技术推广和仪器行业应用中为客户提供解决方案，公司的主打产品激光粒度分析仪和纳米粒度分析仪在工业领域如制药行业、电池材料行业等成为生产质控的主流仪器。同时参与技术标准方面的工作，如企业标准的编制，代表公司参与相关的行标、国标的部分编制工作。
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Zeta电位调控在抛光工艺中的应用
OMEC
在化学机械抛光领域，Zeta电位的调控发挥着关键作用。金刚石抛光液的性能优化很大程度上依赖于Zeta电位的控制。针对不同的样品材质，抛光液需要调整磨粒种类、悬浮体系特点和配搭的抛光盘类型。通过控制Zeta电位，可以显著改善抛光液的稳定性和抛光效果。例如，多晶金刚石抛光液以多晶金刚石微粉为主要成分，配合高分散性配方，可以在保持高切削率的同时不易对研磨材质产生划伤。通过将Zeta电位调整到适宜范围（通常-30mV至-50mV），可以有效防止颗粒团聚，减少抛光过程中的划痕和缺陷。
调控zeta电位可以提升抛光液稳定性，在2024年全国精密研磨抛光论坛上，梅燕博士指出，通过MAS分散剂将铈基抛光浆料的Zeta电位稳定在-35 mV以上，使悬浮稳定性从3天延长至30天，碳化硅衬底抛光效率提高20%。[1]
北京科技大学的研究人员开发的一种基于两步Zeta电位调控的多晶金刚石化学机械抛光方法，通过精确控制抛光液与金刚石膜之间的Zeta电位差值，实现低损伤、高效率、高质量的加工。[2]
在粗抛过程中，他们调节抛光液的Zeta电位，使其与多晶金刚石膜的Zeta电位差值范围在-80~-110mV，这样大的电位差能实现硬磨料与金刚石膜表面的相斥，减少硬磨料对金刚石膜表面的损伤。
而在精抛过程中，则调节抛光液的Zeta电位，使其与多晶金刚石膜的Zeta电位差值范围在-5~-30mV，这种较小的电位差能减小软磨料与金刚石膜表面的相斥，增强抛光效果。
多孔金刚石磨具优化单晶硅加工
李建伟团队的研究表明[3]，通过Fe/Fe2O3协同腐蚀制备的多孔金刚石，使Zeta电位绝对值显著增加，增强了与陶瓷结合剂的界面结合力。团队利用Zeta电位调控，开发出高性能多孔金刚石固结磨具。当磨料Zeta电位调整至-40 mV时，与陶瓷结合剂的润湿性提升50%，单晶硅磨削后表面粗糙度从0.8 μm降至0.2 μm，残余应力减少70%。
Zeta电位在表面改性评估中的应用
OMEC
Zeta电位测量在金刚石表面改性效果评估中发挥着重要作用。在金刚石微粉表面改性过程中，实时监测Zeta电位变化，评估改性效果并优化工艺参数。
化学改性方法效果评估
陈静等的研究比较了KH550硅烷偶联剂与聚乙烯亚胺（PEI）对金刚石表面的改性效果。[4]
硅烷偶联剂处理是改善金刚石微粉Zeta电位的有效方法之一。采用KH550硅烷偶联剂对金刚石进行表面改性，可使金刚石在pH为2～8.8范围内的Zeta电位均由负转正，在pH=8.8左右出现等电点。
聚乙烯亚胺（PEI）处理是另一种有效的改性方法。PEI作为一种阳离子型表面活性剂，在酸性条件下，金刚石表面的PEI与水溶液中的H?发生反应生成带正电的基团，使得金刚石表面带正电。研究显示，PEI改性的金刚石在pH为2～8范围内，Zeta电位值均大于44.59mV，表明颗粒间具有较高的静电斥力，有利于分散稳定。
分散稳定性的定量评价与工艺参数优化
表面改性工艺的参数控制对Zeta电位调控至关重要。以KH550改性为例[4]，当KH550质量分数为2%时，金刚石表面Zeta电位值最大为23.18mV；而PEI改性时，当PEI质量分数为6%时，金刚石表面Zeta电位值最大为53.71mV。这说明表面活性剂的量存在最佳值，过量或不足都会影响改性效果。
超声时间优化
超声处理是另一个重要工艺参数。研究显示[3]，随着超声处理时间从5分钟延长至25分钟，纳米金刚石Zeta电位绝对值呈线性增长，增幅达15-20%。延长超声时间能剥离表面吸附物并激活碳键，增强静电排斥力。但过长的超声时间可能导致颗粒破碎和表面损伤，因此需要优化超声时间。
表面活性剂筛选
表面活性剂的添加也会对金刚石微粉的zeta电位产生显著影响。研究显示[3]，十二烷基苯磺酸钠的增加可使Zeta电位绝对值提升30%以上，颗粒间的排斥力逐渐增大，这有利于金刚石溶液的分散稳定性。而六偏磷酸钠的加入纳米金刚石的电位绝对值未发生明显变化，说明这种表面活性剂对纳米金刚石的分散稳定性几乎无影响。非离子表面活性剂吐温-60、吐温-80的加入，也能使纳米金刚石的电位绝对值变大，并且还具有空间位阻效应帮助提高稳定性。溶液中的离子会压缩双电层，影响Zeta电位的大小和稳定性；
热处理影响
纳米金刚石在300-900°C热处理5小时后，Zeta电位绝对值普遍高于未处理样品[3]。例如700°C加热后电位绝对值提升约40%，这是由于高温煅烧使表面杂质分解并生成更稳定的羧基或羰基官能团。通过zeta电位的变化可以找出最合适的热处理温度和时间。
复合包覆技术效果的评估
根据专利技术报道[5]，金刚石复合微粉的制备采用了创新的包覆工艺。该技术首先对金刚石微粉进行第一次活化处理，得到表面Zeta电位绝对值为10mV～20mV的金刚石内核；然后将金刚石内核进行包覆处理，包覆材料选自含碳元素、氮元素或者硼元素中至少一种的无机化合物；最后将包覆处理后的金刚石内核进行第二次活化处理，得到表面Zeta电位绝对值为30mV～50mV的金刚石复合微粉。最终产品在树脂组合物中表现出优异的分散性和稳定性。Zeta电位的准确测定使包覆工艺过程的变化和效果“可视化"。
在树脂复合材料中的应用
金刚石微粉在树脂组合物中的应用尤其依赖Zeta电位控制。由于金刚石在树脂组合物中分散时极易发生团聚现象，传统产品存在分散不均匀、界面结合力差的问题。通过表面改性优化Zeta电位，可以显著改善金刚石与树脂的界面结合性。
专利技术显示[5]，采用表面Zeta电位绝对值为30mV～50mV的金刚石复合微粉制备的树脂组合物，制成的介质基板具有高导热性和绝缘性。这种复合微粉表面具有优异且稳定的表面Zeta电位，能够有效抵抗分子间作用力，降低金刚石复合微粉在树脂组合物内的团聚，同时有效保障了金刚石复合微粉的高导热性能。
在金属基板中的应用
创新性的应用是将金刚石微粉用于金属基板的制备[6]。金属基板包括依次层叠设置的导电层、复合层和金属底板，复合层包括至少两层层叠设置的过渡层，且相邻两层过渡层之间均夹设有一层金刚石膜。在这种结构中，过渡层与导电层的剥离强度>0.5N/mm，过渡层与金属底板的剥离强度>0.2N/mm，过渡层与金刚石膜的推拉力≥100N。通过控制各层间的Zeta电位和表面性质，可以实现良好的界面结合，使金属基板同时具有优异的导热性能和绝缘性能。
Zeta电位
在金刚石微粉应用中的重要性小结
OMEC
1
分散稳定性调控
Zeta电位绝对值大于30mV时，颗粒间静电排斥力可有效防止团聚，确保金刚石微粉在抛光液和复合材料的均匀分散。
2
表面改性效果评价
Zeta电位变化直接反映表面官能团引入效果，为优化表面改性工艺提供量化指标。
3
界面结合优化
通过调控Zeta电位可改善金刚石与结合剂的润湿性，增强界面结合力，提高制品使用寿命。
4
生物相容性设计
在生物医学应用中，Zeta电位影响金刚石表面对生物分子的吸附行为，可针对性设计表面化学特性。
5
工艺质量控制
Zeta电位作为关键质量指标，可实现生产过程的精确控制和产品质量稳定性保障。
结语
OMEC
金刚石微粉作为超硬材料领域的重要组成部分，其应用效能很大程度上取决于分散稳定性和表面性质。Zeta电位作为表征颗粒分散稳定性的关键参数，在金刚石微粉的质量控制和应用开发中发挥着不可替代的作用。
通过表面改性技术调控Zeta电位，可以显著改善金刚石微粉在各类介质中的分散性，拓展其应用范围。随着表面改性工艺的精细化和应用需求的多样化，高精度、多功能的Zeta电位表征设备变得日益重要。珠海欧美克NS-90Z PLUS等先进仪器凭借其高精度测量、宽广适用范围和智能化操作特点，为金刚石微粉研发与生产提供了可靠的技术支撑。
未来，随着分析技术的进一步发展和智能化水平的提高，Zeta电位分析将在金刚石微粉和更广泛的超硬材料领域发挥更加重要的作用，推动行业向更高效、更精密的方向发展。
参考文献
[1] 高端显示玻璃基板用CMP稀土铈基抛光浆料的研制及机理, 梅燕, 2024全国精密研磨抛光论坛
[2] 一种基于两步zeta电位调控的多晶金刚石化学机械抛光方法, CN.1, 北京科技大学
[3] 陶瓷结合剂多孔金刚石磨具制备及在硅片加工中的应用, 李建伟, 湖南大学, 2022年
[4] 表面活性剂对金刚石在树脂中悬浮性及与树脂结合性的影响, 陈静, 复合材料学报, 2014年06期
[5] 金刚石复合微粉及其制备方法和应用, , 浙江华正新材料股份有限公司
[6] 金属基板, CN.2, 浙江华正新材料股份有限公司
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