超硬涂層知識(shí)并茂詳解6種

超硬涂層知識(shí)圖文并茂詳解（6種）超硬涂層材料普通由Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ主族元素構(gòu)成的單質(zhì)或共價(jià)鍵化合物構(gòu)成，現(xiàn)在能夠滿足這個(gè)原則的材料有金剛石、類金剛石（DLC）、立方氮化硼（cBN）、碳化氮（C3N4）等。運(yùn)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，這種涂層不僅含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，并且其實(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)，另外它還含有低的摩擦因數(shù)、高的彈性模量、高的導(dǎo)熱系數(shù)、高的聲傳輸速度、寬的能帶隙以及良好的化學(xué)穩(wěn)定性等，然而天然金剛石的存量及價(jià)格限制了它的大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用。現(xiàn)在普通會(huì)采用CVD法制備金剛石涂層，它含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，能夠?qū)VD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，晶粒尺寸不大于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)已獲得了非常大的進(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，以下圖所示：2）、類金剛石（DLC）涂層運(yùn)用離子束沉積技術(shù)制備了一種化學(xué)構(gòu)成、光學(xué)透過(guò)率、硬度以及耐磨損等性能與金剛石相近的非晶碳涂層。這種碳涂層含有以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(wú)序立體網(wǎng)狀構(gòu)造，被稱為類金剛石（DLC）涂層。由于DLC涂層中現(xiàn)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，因而其構(gòu)造和性能介于金剛石和石墨之間。DLC涂層含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)含有良好的化學(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)域有著廣闊的應(yīng)用前景。但是受沉積方式和環(huán)境的影響，DLC涂層中還可能含有氫等雜質(zhì)，含多個(gè)C-H鍵，因此不同的制備辦法和工藝條件對(duì)涂層的性能，特別是硬度的影響很大。DLC涂層的制備辦法諸多，比金剛石涂層更容易制備，基體溫度不高，并且可在多個(gè)基體上沉積。現(xiàn)在其制備辦法涉及PVD和CVD兩種辦法。3）、立方氮化硼（cBN）涂層氮化硼是一種Ⅲ-Ⅴ族共價(jià)化合物，和碳類似，現(xiàn)有軟的六角sp2雜化構(gòu)造，又有類似于金剛石的sp3雜化構(gòu)造?氮化硼有四種異構(gòu)體，其中，cBN含有與金剛石類似的構(gòu)造，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構(gòu)造，硬度僅次于金剛石，其韋氏硬度大概為49GPa。cBN涂層含有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B2O3涂層，制止內(nèi)部進(jìn)一步氧化，它的抗氧化性優(yōu)于金剛石的，在1200℃下列不與金屬鐵反映，能夠廣泛用于精密加工和研磨鋼鐵等黑色金屬。因此，cBN是抱負(fù)的刀具及多個(gè)機(jī)械耐磨部件的耐磨涂層，同時(shí)它也能夠用作多個(gè)熱擠壓和成型模具的表面防護(hù)涂層。另外，從紅外到紫外（涉及可見光）波譜范疇內(nèi)，cBN涂層還含有良好的透光性，適合作為某些光學(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)域同樣含有非常廣闊的應(yīng)用前景?，F(xiàn)在制備cBN涂層的辦法重要有HTHP法、CVD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(lái)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α-C3N4?β-C3N4?立方相c-C3N4、準(zhǔn)立方相p-C3N4以及類石墨相g-C3N4等5種構(gòu)造，其中除了類石墨相外，其它四種構(gòu)造的硬度都靠近或超出了金剛石的硬度?除了極高的硬度以外，C3N4還含有高彈性、低摩擦因數(shù)、抗氧化、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)含有較大的禁帶寬度?較高的折射率等特性?因此，C3N4材料被預(yù)言可能是一種抱負(fù)的發(fā)藍(lán)光、高溫半導(dǎo)體或場(chǎng)致發(fā)射材料，慣用制備C3N4涂層的辦法有反映濺射法、離子束輔助沉積（IBAD）法、PLD法、PECVD法以及離子注入法、離子鍍法等。5）、納米多層構(gòu)造涂層及納米復(fù)合涂層①.納米多層構(gòu)造涂層在研究金/鎳和銅/鈀納米多層構(gòu)造涂層時(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)制引發(fā)了許多研究者的愛好，成為涂層材料的研究熱點(diǎn)之一。納米多層構(gòu)造涂層是指兩種及以上材料或構(gòu)造層以納米級(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，這種構(gòu)造存在大量界面，能夠有效調(diào)節(jié)涂層中的位錯(cuò)和缺點(diǎn)及其運(yùn)動(dòng)，增加材料的韌性，妨礙裂紋擴(kuò)展，從而獲得更高的硬度、彈性模量。納米多層構(gòu)造涂層能夠人為設(shè)計(jì)和制備。根據(jù)材料的種類不同，納米多層構(gòu)造涂層重要能夠分為金屬/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)晶體構(gòu)造不同，納米多層構(gòu)造涂層能夠分為單晶/單晶、多晶/多晶、非晶/多晶、非晶/非晶涂層等。PVD法是現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室制備納米多層構(gòu)造涂層慣用的辦法，普通是通過(guò)啟動(dòng)或關(guān)閉、屏蔽不同靶源，或者是使工件旋轉(zhuǎn)交替通過(guò)不同的靶源，不同的靶源通過(guò)氣體發(fā)生反映或直接沉積在工件表面形成多層構(gòu)造涂層。磁控濺射是最常見的制備辦法，涉及直流多靶、射頻、非平衡、單極和雙極脈沖磁控濺射，另外尚有磁控與過(guò)濾電弧、電弧與激光、PVD和CVD技術(shù)結(jié)合等辦法?，F(xiàn)在，超硬納米多層構(gòu)造涂層技術(shù)仍處在研發(fā)中，尚有許多理論和技術(shù)問(wèn)題需要研究和解決。②.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發(fā)了廣泛愛好。在此背景下，提出了納米晶-無(wú)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點(diǎn)，硬度和體積彈性模量幾乎靠近理論值（慣用實(shí)際材料僅為理論值的1/100左右）。硬度超出105GPa的nc-TiN/α-Si3N4/α-＆nc-TiSi2納米復(fù)合涂層（nc為納米晶，α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（直徑不大于10nm）的單晶金屬或其它化合物粒子的納米復(fù)合材料，基體相能夠是納米晶，也能夠是非晶。實(shí)驗(yàn)成果表明，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)相稱，甚至更多，晶界位置制止了位錯(cuò)的形成，晶界滑動(dòng)機(jī)制替代了控制傳統(tǒng)材料變形的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)機(jī)制；當(dāng)晶粒尺寸不大于5nm時(shí)，原子力參加材料的形成過(guò)程，可能會(huì)形成納米晶亞原子構(gòu)造。這些過(guò)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。另外，納米復(fù)合涂層的合成成本較低，含有非常好的市場(chǎng)前景，是一種可能替代金剛石的多功效材料?？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)械和構(gòu)造零件在高精度、高負(fù)荷、高溫等非?？量痰臈l件下工作。由于磨損、腐蝕等因素普通會(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規(guī)定。因此普通硬質(zhì)和超硬涂層的生產(chǎn)和使用應(yīng)注意下列幾