类金刚石薄膜的性能与应用.doc

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1、学科前沿知识讲座论文类金刚石薄膜的性能与应用摘要：类金刚石膜(Diamond-likeCarbon)简称DLC，是一类性质类似于金刚石如具有高硬度、高电阻率、耐腐蚀、良好的光学性能等，同时其又具有自身独特摩擦学特性的非晶碳膜。作为功能薄膜和保护薄膜，其广泛应用于机械、电子、光学、医学、航天等领域中。类金刚石膜制备方法比较简单，易实现工业化，具有广泛的应用前景。关键词：超硬材料类金刚石薄膜制备气象沉积表面工程技术引言磨损是工程界材料功能失效的主要形式之一，由此造成的资源、能源的浪费和经济损失可用“巨大”来表示。然而，磨损是发生于机械设备零部件表面的材料流失过程，虽

2、然不可避免，但若采取得力措施，可以提高机件的耐磨性。材料表面工程主要是利用各种表面改性技术，赋予基体材料本身所不具备的特殊的力学、物理或化学性能，如高硬度、低摩擦系数、良好的化学及高温稳定性、理想的综合机械性能及优异的摩擦学性能，从而使零部件表面体系在技术指标、可靠性、寿命和经济性等方面获得最佳效果。硬质薄膜涂层因能减少工件的摩擦和磨损，有效提高表面硬度、韧性、耐磨性和高温稳定性，大幅度提高涂层产品的使用寿命，而广泛应用于机械制造、汽车工业、纺织工业、地质钻探、模具工业、航空航天等领域。一、超硬薄膜材料随着材料科学和现代涂层技术的发展，应用超硬材料涂层技术改善零

3、部件表面的机械性能和摩擦学性能是21世纪表面工程领域重要的研究方向之一。超硬薄膜是指维氏硬度在40GPa以上的硬质薄膜。到目前为止，主要有以下几种超硬薄膜:1金刚石薄膜金刚石薄膜的硬度为50~100GPa(与晶体取向有关)，从20世纪80年代初开始，一直受到世界各国的广泛重视，并曾于20世纪80年代中叶至90年代末形成了一个全球范围的研究热潮。金刚石膜所具有的最高硬度、最高热导率、极低摩擦系数、很高的机械强度和良好化学稳定性的优异性能组合使其成为最理想的工具和工具涂层材料。金刚石薄膜在摩擦学领域应用的突出问题，就是在载荷条件下薄膜与基体之间的粘附强度以及薄膜本身

4、的粗糙度问题，目前，己经有针对性地开展了大量的研究工作。随着研究工作的不断深入，金刚石薄膜将会为整个人类社会带来巨大的经济效益。2立方氮化硼(c-BN)薄膜立方氮化硼(c-BN)薄膜的硬度为50~80GPa，它具有与金刚石相类似的晶体结构，其物理性能也与金刚石十分相似。与金刚石相比，c-BN的显著优点是具有良好的热稳定性和化学稳定性，适用于作为超硬刀具涂层，特别是用于加工铁基合金的刀具涂层。3碳氮膜碳氮膜是新近开发的超硬薄膜材料，理论预测它具有达到和超过金刚石的硬度。已有的研究表明CNx薄膜的硬度可高达72GPa，可与DLc相比拟。同时CNx薄膜具有十分独特的摩

5、擦磨损特性。在空气中，CNx薄膜的摩擦系数为0.2-0.4，但在N2、C02和真空中的摩擦系数为0.01~0.1。在N2气氛中的摩擦系数最小(0.01)，在大气环境中向实验区域吹氮气，也可将其摩擦系数降至0.017。因此，CNx薄膜有望在摩擦磨损领域获得实际应用。4类金刚石薄膜类金刚石膜(DLC)是一大类在性质上和金刚石类似，具有sp2和sp3杂化的碳原子空间网络结构的非晶碳膜。与组分相关的硬度可从20GPa变化至80GPa。类金刚石碳膜作为新型的硬质薄膜材料具有一系列优异的性能，如高硬度、高耐磨性、高热导率、高电阻率、良好的光学透明性、化学惰性等，可广泛用于机

6、械、电子、光学、热学、声学、医学等领域，具有良好的应用前景。DLC的主要缺点是：(a)内应力很大，因此薄膜厚度受到限制，一般只能达到1um~2um以下；(b)热稳定性较差，含氢的a:C-H薄膜中的氢在400℃左右就会逐渐逸出，sp2键增加，sp3键降低，在大约500℃以上就会转变为石墨。5纳米复合多层膜纳米多层膜是一种人为可控的一维周期结构，这种结构可以有效地调整薄膜中的位错和缺陷及其运动，从而获得高硬度、高模量等性能，近期有关多层膜的研究报道较多，其中以金属/氮化物(碳化物，硼化物等)多层膜和氮化物/氮化物多层膜的研究居多。最近，纳米晶粒复合的TIN/SINx

7、薄膜材料的硬度达到了创记录的105GPa，可以说完全达到了金刚石的硬度。以纳米厚度薄膜交替沉积获得的纳米复合多层膜的硬度与每层薄膜的厚度(调制周期)有关，有可能高于每一种组分的硬度。纳米复合多层膜不仅硬度很高，而且涂层的韧性和抗裂纹扩展能力得到了显著改善，摩擦系数也较小，因此是理想的工模具涂层材料。它的出现向金刚石作为最硬材料的地位提出了严峻的挑战，同时在经济性上也有十分明显的优势，因此具有非常好的市场前景。但是，由于一些技术问题还没有得到解决，目前暂时还未在工业上得到广泛应用。二、类金刚石薄膜简介类金刚石(Diamond-likeCarbon，简称DLC)材料

8、是碳的非晶亚稳态结构存在