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超硬薄膜材料涂层的研究及应用二

2021-07-09 来源:佛山机械信息网

超硬薄膜材料涂层的研究及应用二

2.2金刚石膜的制备方法

化学气相沉积金刚石所依据的化学反应基于碳氢化合物(如甲烷)的裂解,如:

热高温、等离子体

CH4(g)一C(diamond)+2H2(g) (1)

实际的沉积过程非常复杂,至今尚未完全明了。但金刚石膜沉积至少需要两个必要的条件:(1)含碳气源的活化;(2)在沉积气氛中存在足够数量的原子氢。除甲烷外,还可采用大量其它含碳物质作为沉积金刚石膜的前驱体,如脂肪族和芳香族碳氢化合物,乙醇,酮,以及固态聚合物(如聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯),以及卤素等等。

常用的沉积方法有四种:(1)热丝CVD;(2)微波等离子体CVD;(3)直流电弧等离子体喷射(DC Arc Plasma Jet);(4)燃烧火焰沉积。在这几种沉积方法中,改进的热丝CVD(EACVD)设备和工艺比较简单,稳定性较好,易于放大,比较适合于金刚石自支撑膜的工业化生产。但由于易受灯丝污染和气体活化温度较低的原因,不适合于极高质量金刚石膜(如光学级金刚石膜)的制备。微波等离子体CVD是一种无电极放电的等离子体增强化学气相沉积工艺,等离子体与沉积腔体没有接触,放电非常稳定,因此特别适合于高质量金刚石薄膜(涂层)的制备。微波等离子体CVD的缺点是沉积速率较低,设备昂贵,制备成本较高。采用高功率微波等离子体CVD系统(目前国外设备最高功率为75千瓦,国内为5千瓦),也可实现金刚石膜大面积、高质量、高速沉积。但高功率设备价格极其昂贵(超过100万美元),即使在国外愿意出此天价购买这种设备的人也不多。直流电弧等离子体喷射(DC Arc P1asma Jet)是一种金刚石膜高速沉积方法。由于电弧等离子体能够达到非常高的温度(4000K-6000K)。因此可提供比其它任何沉积方法都要高的原子氢浓度,使其成为一种金刚石膜高质量高速沉积工艺。特殊设计的高功率JET可以实现大面积极高质量(光学级)金刚石自支撑膜的高速沉积。我国在863计划"75”和"95”重大关键技术项目的支持下已经建立具有我国特色和独立知识产权的高功率De Are Plasma Jet金刚石膜沉积系统,并于1997年底在大面积光学级金刚石膜的制备技术方面取得了突破性进展。目前已接近国外先进水平。

2.3金刚石膜研究现状和工业化应用

20余年来,CVD金刚石膜研究已经取得了非常大的进展。金刚石膜的内在质量已经全面达到最高质量的天然IIa型金刚石单晶的水平(见表1)。在金刚石膜工具应用和热学应用(热沉)方面已经实现了,产业化,一些新型的金刚石膜高技术企业已经在国内外开始出现。光学(主要是军事光学)应用已经接近产业化应用水平。金刚石膜场发射和真空微电子器件、声表面波器件(SAW)、抗辐射电子器件(如SOD器件)、一些基于金刚石膜的探侧器和传感器和金刚石膜的电化学应用等已经接近实用化。由于大面积单晶异质外延一直没有取得实质性进展,n一型掺杂也依然不够理想,金刚石膜的高温半导体器件的研发受到严重障碍。但是,近年来采用大尺寸高温高压合成金刚石单晶衬底的金刚石同质外延技术取得了显著进展,已经达到了研制芯片级尺寸衬底的要求。金刚石高温半导体芯片即将问世。

鉴于篇幅限制,及本文关于超硬薄膜介绍的宗旨,下面将仅对金刚石膜的工具(摩擦磨损)应用进行简要介绍。

2.4金刚石膜工具和摩擦磨损应用

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异性能组合(见表1)使其成为最理想的工具和工具涂层材料。

金刚石膜工具可分为金刚石厚膜工具和金刚石薄膜涂层工具。

2.4.1金刚石厚膜工具

金刚石厚膜工具采用无衬底金刚石白支撑膜(厚度一般为0.5mm~2mm)作为原材料。目前已经上市的产品有:金刚石厚膜焊接工具、金刚石膜拉丝模芯、金刚石膜砂轮修整条、高精度金刚石膜轴承支架等等。

金刚石厚膜焊接工具的制作工艺为:金刚石自支撑膜沉积→激光切割→真空钎焊→高频焊接→精整。金刚石厚膜钎焊工具的使用性能远远优于PCD,可用于各种难加工材料,包括高硅铝合金和各种有色金属及合金、复合材料、陶瓷、工程塑料、玻璃和其它非金属材料等的高效、精密加工。采用金刚石厚膜工具车削加工的高硅铝合金表面光洁度可达V12以上,可代替昂贵的天然金刚石刀具进行“镜面加工"。金刚石膜拉丝模芯可用于拉制各种有色金属和不锈钢丝,由于金刚石膜是准各向同性的,因此在拉丝时模孔的磨损基本上是均匀的,不像天然金刚石拉丝模芯那样模孔的形状会由于非均匀磨损(各向异性所致)而发生畸变。金刚石膜修整条则广泛用于机械制造行业,用作精密磨削砂轮的修整,代替价格昂贵的天然金刚石修整条。这些产品已经在国内外市场上出现,但目前的规模还不大。其原因是:(1)还没有为广大用户所熟悉、了解;(2)面临其它产品(主要是PCD)的竞争;(3)虽然比天然金刚石产品便宜,但成本(包括金刚石自支撑膜的制备和加工成本)仍然较高,在和PCD竞争时的优势受到一定的限制。

高热导率(≥10W/em.K)金刚石自支撑膜可作为诸如高功率激光二极管阵列、高功率微波器件、MCMs(多芯片三维集成)技术的散热片(热沉)和功率半导体器件(Power ICs)的封装。在国外已有一定市场规模。

在国内,南京天地集团公司和北京人工晶体研究所合作在1997年前后率先成立了北京天地金刚石公司,生产和销售金刚石膜拉丝模芯、金刚石膜修整条和金刚石厚膜焊接工具及其它一些金刚石膜产品。该公司大约在2000年左右渡过了盈亏平衡点,但目前的规模仍然不很大。国内其它一些单位,如北京科技大学、河北省科学院(北京科技大学的合作者)、吉林大学、核工业部九院、浙江大学、湖南大学等都具有生产金刚石厚膜工具产品的能力,其中有些单位正在国内市场上小批量销售其产品。

待续)

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