超硬涂層知識(shí)圖文并茂詳解(6種)

1、 /8超硬涂層知識(shí)圖文并茂詳解（6種）超硬涂層材料通常由iii、w和v主族元素構(gòu)成的單質(zhì)或共價(jià)鍵化合物組成，目前能夠滿足這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的材料有金剛石、類金剛石（DLC）、立方氮化硼（cBN）、碳化氮（CN）等。34利用PVD或CVD法將這些材料沉積到基體表面即可獲得超硬涂層，這種涂層不但具有與材料本身同樣的優(yōu)良特性，如極高的硬度、極低的摩擦因數(shù)、極強(qiáng)的耐磨和耐腐蝕性能、良好的導(dǎo)熱和化學(xué)穩(wěn)定性能、高的禁帶寬度等，而且其實(shí)用性較材料本身更強(qiáng)。1）、金剛石涂層金剛石是自然界中已知硬度最高的物質(zhì)，此外它還具有低的摩擦因數(shù)、高的彈性模量、高的導(dǎo)熱系數(shù)、高的聲傳播速度、寬的能帶隙以及良好的化學(xué)穩(wěn)定性等，然而天然

2、金剛石的存量及價(jià)格限制了它的大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用。目前一般會(huì)采用CVD法制備金剛石涂層，它具有與天然金剛石非常相近的物理和化學(xué)性能，根據(jù)金剛石的晶粒尺寸，可以將CVD金剛石涂層分為微米晶金剛石（MCD）涂層和納米晶金剛石（NCD）涂層，其中，晶粒尺寸小于10nm時(shí)，被稱作超納米金剛石（UNCD）涂層。CVD金剛石涂層制備技術(shù)已取得了非常大的進(jìn)展，部分產(chǎn)品已進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化推廣階段，并形成了一定的市場(chǎng)規(guī)模，應(yīng)用領(lǐng)域非常多，如下圖所示:CVD金剛TT涂層的應(yīng)用髙性能探測(cè)1紅外、高功率微波.L射線等窗口廠薄膜涂層工具切削刀具、拉絲.模芯等務(wù)髙性能聲表面波器件磨料磨具r發(fā)光二極管，場(chǎng)敗應(yīng)管=熱敏電阻等丿:功率集

3、成電路.超高速計(jì)算機(jī)等/2）、類金剛石（DLC）涂層利用離子束沉積技術(shù)制備了一種化學(xué)組成、光學(xué)透過率、硬度以及耐磨損等性能與金剛石相近的非晶碳涂層。這種碳涂層具有以SP3鍵碳共價(jià)結(jié)合為主體，混合有SP2鍵碳的亞穩(wěn)態(tài)長(zhǎng)程無序立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，被稱為類金剛石（DLC）涂層。由于DLC涂層中既有類似于金剛石的sp3鍵合形式，又有類似于石墨的sp2鍵合形式，因而其結(jié)構(gòu)和性能介于金剛石和石墨之間。DLC涂層具有與金剛石涂層非常相近的性能，即極高的硬度、電阻率、導(dǎo)熱系數(shù)、電絕緣強(qiáng)度、高紅外透射性以及光學(xué)折射率，同時(shí)具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和生物相容性等，在機(jī)械、電子、光學(xué)、聲學(xué)、計(jì)算機(jī)以及生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有著廣闊的

4、應(yīng)用前景。不過受沉積方式和環(huán)境的影響，DLC涂層中還可能含有氫等雜質(zhì)，含各種C-H鍵，因此不同的制備方法和工藝條件對(duì)涂層的性能，尤其是硬度的影響很大。DLC涂層的制備方法很多，比金剛石涂層更容易制備，基體溫度不高，而且可在各種基體上沉積。目前其制備方法包括PVD和CVD兩種方法。3）、立力氮化硼(cBN)涂層氮化硼是一種III-V族共價(jià)化合物，和碳類似，既有軟的六角sp2雜化結(jié)構(gòu)，又有類似于金剛石的sp3雜化結(jié)構(gòu)。氮化硼有四種異構(gòu)體，其中，cBN具有與金剛石類似的結(jié)構(gòu)，晶體中氮原子與硼原子以sp3的形式雜化，是一種面心立方閃鋅礦結(jié)構(gòu)，硬度僅次于金剛石，其韋氏硬度大約為49GPa。cBN涂層具有

5、比金剛石更高的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，其在空氣中氧化后會(huì)形成高密度的BO涂層，阻止內(nèi)部進(jìn)一步氧化，23它的抗氧化性優(yōu)于金剛石的，在1200C以下不與金屬鐵反應(yīng)，可以廣泛用于精密加工和研磨鋼鐵等黑色金屬。因此，cBN是理想的刀具及各種機(jī)械耐磨部件的耐磨涂層，同時(shí)它也可以用作各種熱擠壓和成型模具的表面防護(hù)涂層。此外，從紅外到紫外（包括可見光）波譜范圍內(nèi)，cBN涂層還具有良好的透光性，適合作為一些光學(xué)組件，特別適合作為硒化鋅、硫化鋅等光學(xué)窗口材料的表面防護(hù)涂層。cBN寬的光帶間隙、高的導(dǎo)熱系數(shù)以及良好的絕緣性也使得它在微電子領(lǐng)域同樣具有非常廣闊的應(yīng)用前景。目前制備cBN涂層的方法主要有HTHP法、CV

6、D法和PVD法。HTHP法的設(shè)備復(fù)雜、成本高，其工業(yè)應(yīng)用受到一定限制，因此PVD法和CVD法得到了越來越多的應(yīng)用。4）、氮化碳（C3N4）涂層氮化碳（C3N4）涂層采用共軛梯度法計(jì)算后認(rèn)為，可能存在a-C3N4、B-C3N4、立方相C-C3N4、準(zhǔn)立方相p-C3N4以及類石墨相g-CN等5種結(jié)構(gòu)，其中除了類石墨相外，其它四種結(jié)構(gòu)的硬34度都接近或超過了金剛石的硬度。除了極高的硬度以外，CN還具有高彈性、低摩擦因數(shù)、抗34氧化、耐磨損以及耐腐蝕等優(yōu)良的性能，其化學(xué)惰性和穩(wěn)定性優(yōu)于金剛石的，同時(shí)具有較大的禁帶寬度、較高的折射率等特性。因此，CN材料被預(yù)言可能是一種理想的發(fā)藍(lán)光、高溫半導(dǎo)34體或場(chǎng)致

7、發(fā)射材料，常用制備CN涂層的方法有反應(yīng)濺射法、離34子束輔助沉積（IBAD）法、PLD法、PECVD法以及離子注入法、離子鍍法等。5）、納米多層結(jié)構(gòu)涂層及納米復(fù)合涂層納米多層結(jié)構(gòu)涂層在研究金/鎳和銅/鈀納米多層結(jié)構(gòu)涂層時(shí)發(fā)現(xiàn)，涂層在小調(diào)制周期時(shí)存在異常升高的超模量和超硬度效應(yīng)。這種力學(xué)性能異常升高的效應(yīng)及其強(qiáng)化機(jī)制引起了許多研究者的興趣，成為涂層材料的研究熱點(diǎn)之一。納米多層結(jié)構(gòu)涂層是指兩種及以上材料或結(jié)構(gòu)層以納米級(jí)厚度交替排列而成的涂層體系，在厚度方向上存在納米量級(jí)的周期性，這種結(jié)構(gòu)存在大量界面，可以有效調(diào)整涂層中的位錯(cuò)和缺陷及其運(yùn)動(dòng)，增加材料的韌性，阻礙裂紋擴(kuò)展，從而獲得更高的硬度、彈性模量

8、。納米多層結(jié)構(gòu)涂層可以人為設(shè)計(jì)和制備。根據(jù)材料的種類不同，納米多層結(jié)構(gòu)涂層主要可以分為金屬/金屬、金屬/陶瓷（氮化物、碳化物或硼化物等）、陶瓷/陶瓷涂層等；根據(jù)晶體結(jié)構(gòu)不同，納米多層結(jié)構(gòu)涂層可以分為單晶/單晶、多晶/多晶、非晶/多晶、非晶/非晶涂層等。PVD法是目前實(shí)驗(yàn)室制備納米多層結(jié)構(gòu)涂層常用的方法，一般是通過開啟或關(guān)閉、屏蔽不同靶源，或者是使工件旋轉(zhuǎn)交替經(jīng)過不同的靶源，不同的靶源通過氣體發(fā)生反應(yīng)或直接沉積在工件表面形成多層結(jié)構(gòu)涂層。磁控濺射是最常見的制備方法，包括直流多靶、射頻、非平衡、單極和雙極脈沖磁控濺射，此外還有磁控與過濾電弧、電弧與激光、PVD和CVD技術(shù)結(jié)合等方法。目前，超硬納米

9、多層結(jié)構(gòu)涂層技術(shù)仍處于研發(fā)中，還有許多理論和技術(shù)問題需要研究和解決。納米復(fù)合涂層超晶格或納米涂層以其奇異的使用性能引起了廣泛興趣。在此背景下，提出了納米晶-無定形材料超硬涂層的概念，認(rèn)為這種納米涂層的晶粒完整，不含或含有少量晶體缺陷，硬度和體積彈性模量幾乎接近理論值（常用實(shí)際材料僅為理論值的1/100左右）。硬度超過105GPa的nc-TiN/a-SiN/a-&nc-TiSi納米復(fù)342合涂層（nc為納米晶，a為非晶），這使得金剛石作為最硬材料的地位受到了威脅。納米復(fù)合涂層是涂層基體里含有納米尺寸（直徑小于10nm）的單晶金屬或其它化合物粒子的納米復(fù)合材料，基體相可以是納米晶，也可以是非晶。試

10、驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)晶粒尺寸為10nm甚至更小時(shí)，晶界區(qū)域的原子數(shù)與晶內(nèi)的原子數(shù)相當(dāng)，甚至更多，晶界位置阻止了位錯(cuò)的形成，晶界滑動(dòng)機(jī)制代替了控制傳統(tǒng)材料變形的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)機(jī)制；當(dāng)晶粒尺寸小于5nm時(shí)，原子力參與材料的形成過程，可能會(huì)形成納米晶亞原子結(jié)構(gòu)。這些過程的綜合作用使納米復(fù)合涂層的性能發(fā)生了變化，如極高的硬度和體積彈性模量、高的彈性恢復(fù)和韌性、良好的熱穩(wěn)定性和抗氧化性能等。此外，納米復(fù)合涂層的合成成本較低，具有非常好的市場(chǎng)前景，是一種可能替代金剛石的多功能材料?？偨Y(jié)普通硬質(zhì)和超硬涂層因其優(yōu)良的性能在眾多領(lǐng)域都得到廣泛應(yīng)用。機(jī)械和結(jié)構(gòu)零件在高精度、高負(fù)荷、高溫等非?？量痰臈l件下工作。由于磨損、腐蝕等原因通常會(huì)造成零件失效，這就對(duì)材料以及表面防護(hù)涂層的性能提出了更高的要求。因此普通硬質(zhì)和超硬涂