超硬材料薄膜涂層研究進(jìn)展及應(yīng)用

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1、超硬材料薄膜涂層研究進(jìn)展及應(yīng)用摘要：CVD和PVDTiN，TiC，Ti，TiAlN等硬質(zhì)薄膜涂層材料已經(jīng)在工具、模具、裝飾等行業(yè)得到日益廣泛的應(yīng)用，但仍然不能滿足許多難加工材料，如高硅鋁合金，各種有色金屬及其合金，工程塑料，非金屬材料，陶瓷，復(fù)合材料(特別是金屬基和陶瓷基復(fù)合材料)等加工要求。正是這種客觀需求導(dǎo)致了諸如金剛石膜、立方氮化硼(c-BN)和碳氮膜(x)以及納米復(fù)合膜等新型超硬薄膜材料的研究進(jìn)展。本文對這些超硬材料薄膜的研究現(xiàn)狀及工業(yè)化應(yīng)用前景進(jìn)行了簡要的介紹和評述。關(guān)鍵詞：超硬材料薄膜；研究進(jìn)展；工業(yè)化應(yīng)用1超硬薄膜超硬薄膜是指維氏硬度在40GPa以上

2、的硬質(zhì)薄膜。不久以前還只有金剛石膜和立方氮化硼(c-BN)薄膜能夠達(dá)到這個標(biāo)準(zhǔn)，前者的硬度為50-100GPa(與晶體取向有關(guān))，后者的硬度為50～80GPa。類金剛石膜(DLC)的硬度范圍視制備方法和工藝不同可在10GPa～60GPa的寬廣范圍內(nèi)變動。因此一些硬度很高的類金剛石膜(如采用真空磁過濾電弧離子鍍技術(shù)制備的類金剛石膜(也叫Ta：C))也可歸人超硬薄膜行列。近年來出現(xiàn)的碳氮膜(x)雖然沒有像Cohen等預(yù)測的晶態(tài)β-C3N4那樣超過金剛石的硬度，但已有的研究結(jié)果表明其硬度可達(dá)10GPa～50GPa，因此也歸人超硬薄膜一類。上述幾種超硬薄膜材料具有一個相同

3、的特征，他們的禁帶寬度都很大，都具有優(yōu)秀的半導(dǎo)體性質(zhì)，因此也叫做寬禁帶半導(dǎo)體薄膜。SiC和GaN薄膜也是優(yōu)秀的寬禁帶半導(dǎo)體材料，但它們的硬度都低于40GPa，因此不屬于超硬薄膜。最近出現(xiàn)的一類超硬薄膜材料與上述寬禁帶半導(dǎo)體薄膜完全不同，他們是由納米厚度的普通的硬質(zhì)薄膜組成的多層膜材料。盡管每一層薄膜的硬度都沒有達(dá)到超硬的標(biāo)準(zhǔn)，但由它們組成的納米復(fù)合多層膜卻顯示了超硬的特性。此外，由納米晶粒復(fù)合的TiN／SiNx薄膜的硬度竟然高達(dá)105GPa，創(chuàng)紀(jì)錄地達(dá)到了金剛石的硬度。本文將就上述幾種超硬薄膜材料一一進(jìn)行簡略介紹，并對其工業(yè)化應(yīng)用前景進(jìn)行評述。2金剛石膜2．1金剛

4、石膜的性質(zhì)金剛石膜從20世紀(jì)80年代初開始，一直受到世界各國的廣泛重視，并曾于20世紀(jì)80年代中葉至90年代末形成了一個全球范圍的研究熱潮(Diamondfever)。這是因?yàn)榻饎偸哂袩o與倫比的高硬度和高彈性模量之外，還具有極其優(yōu)異的電學(xué)(電子學(xué))、光學(xué)、熱學(xué)、聲學(xué)、電化學(xué)性能(見表1)和極佳的化學(xué)穩(wěn)定性。大顆粒天然金剛石單晶(鉆石)在自然界中十分稀少，價格極其昂貴。而采用高溫高壓方法人工合成的工業(yè)金剛石大都是粒度較小的粉末狀的產(chǎn)品，只能用作磨料和工具(包括金剛石燒結(jié)體和聚晶金剛石(PCD)制品)。而采用化學(xué)氣相沉積(CVD)方法制備的金剛石膜則提供了利用金剛

5、石所有優(yōu)異物理化學(xué)性能的可能性。經(jīng)過20余年的努力，化學(xué)氣相沉積金剛石膜已經(jīng)在幾乎所有的物理化學(xué)性質(zhì)方面和最高質(zhì)量的IIa型天然金剛石晶體(寶石級)相比美(見表1)?；瘜W(xué)氣相沉積金剛石膜的研究已經(jīng)進(jìn)人工業(yè)化應(yīng)用階段。表1金剛石膜的性質(zhì)Table1PropertiesofchamondfilmCVD金剛石膜天然金剛石點(diǎn)陣常數(shù)(Å)3.5673.567密度(g/cm3)3.513.515比熱Cp(J/mol,(at300K))6.1956.195彈性模量(GPa)910-12501220*硬度(GPa)50-10057-100*縱波聲速(m/s)18200

6、摩擦系數(shù)0.05-0.150.05-0.15熱膨脹系數(shù)(×10-6℃-1)2.01.1***熱導(dǎo)率(CMs(多芯片三維集成)技術(shù)的散熱片(熱沉)和功率半導(dǎo)體器件(PowerICs)的封裝。在國外已有一定市場規(guī)模。在國內(nèi)，南京天地集團(tuán)公司和北京人工晶體研究所合作在1997年前后率先成立了北京天地金剛石公司，生產(chǎn)和銷售金剛石膜拉絲模芯、金剛石膜修整條和金剛石厚膜焊接工具及其它一些金剛石膜產(chǎn)品。該公司大約在2000年左右渡過了盈虧平衡點(diǎn)，但目前的規(guī)模仍然不很大。國內(nèi)其它一些單位，如北京科技大學(xué)、河北省科學(xué)院(北京科技大學(xué)的合作者)、吉林大學(xué)、核工業(yè)部九院、浙江大學(xué)、湖南

7、大學(xué)等都具有生產(chǎn)金剛石厚膜工具產(chǎn)品的能力，其中有些單位正在國內(nèi)市場上小批量銷售其產(chǎn)品。2．4．2金剛石薄膜涂層工具金剛石薄膜涂層工具一般采用硬質(zhì)合金工具作為襯底，金剛石膜涂層的厚度一般小于30lxm。金剛石薄膜涂層硬質(zhì)合金工具的加工材料范圍和金剛石厚膜工具完全相同，在切削高硅鋁合金時一般均比未涂層硬質(zhì)合金工具壽命提高lO～20倍左右。在切削復(fù)合材料等極難加工材料時壽命提高幅度更大。金剛石薄膜涂層工具的性能與PCD相當(dāng)或略高于PCD，但制備成本比PCD低得多，且金剛石薄膜可以在幾乎任意形狀的工具襯底上沉積，PCD則只能制作簡單形狀的工具。金剛石薄膜涂層工具的另一大優(yōu)

8、點(diǎn)是可以大