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超硬材料薄膜涂層研究進(jìn)展及應(yīng)用
（作者未知） 2010/5/26
（接上頁），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)點(diǎn)是可以大批量生產(chǎn)，因此成本很低，具有非常好的市場競爭能力。
金剛石薄膜涂層硬質(zhì)合金工具研發(fā)的一大技術(shù)障礙是金剛石膜與硬質(zhì)合金的結(jié)合力太差。這主要是由于作為硬質(zhì)合金粘接劑的Co所引起。碳在Co中有很高的溶解度，因此金剛石在Co上形核孕育期很長，同時(shí)Co對于石墨的形成有明顯的促進(jìn)作用，因此金剛石是在表面上形成的石墨層上面形核和生長，導(dǎo)致金剛石膜和硬質(zhì)合金襯底的結(jié)合力極差。在20世紀(jì)80年代和90年代無數(shù)研究者曾為此嘗試了幾乎一切可以想到的辦法，今天，金剛石膜與硬質(zhì)合金工具襯底結(jié)合力差的問題已經(jīng)基本解決。盡管仍有繼續(xù)提高的余地，但已經(jīng)可以滿足工業(yè)化應(yīng)用的要求。在20世紀(jì)后期，國外出現(xiàn)了可以用于金剛石薄膜涂層工具大批量工業(yè)化生產(chǎn)的設(shè)備，一次可以沉積數(shù)百只硬質(zhì)合金鉆頭或刀片，拉開了金剛石薄膜涂層工具產(chǎn)業(yè)化的序幕。一些專門從事金剛石膜涂層工具生產(chǎn)的公司在國外相繼出現(xiàn)。
目前，金剛石薄膜涂層工具主要上市產(chǎn)品包括：金剛石膜涂層硬質(zhì)合金車刀、銑刀、麻花鉆頭、端銑刀等等。從目前國外市場的銷售情況來看，銷售量最大的是端銑刀、鉆頭和銑刀。大量用于加工復(fù)合材料和汽車工業(yè)中廣泛應(yīng)用的大型石墨模具，以及其它難加工材料的加工�？赊D(zhuǎn)位金剛石膜涂層車刀的銷售情況目前并不理想。這是因?yàn)榭赊D(zhuǎn)位金剛石膜涂層刀片的市場主要是現(xiàn)代化汽車工業(yè)的數(shù)控加工中心，用于高硅鋁合金活塞和輪轂等的自動化加工。這些全自動化的數(shù)控加工中心對刀具性能重復(fù)性的要求十分嚴(yán)格，目前的金剛石膜涂層工具暫時(shí)還不能滿足要求，需要進(jìn)一步解決產(chǎn)品檢驗(yàn)和生產(chǎn)過程質(zhì)量監(jiān)控的技術(shù)。
目前國外金剛石膜涂層工具市場規(guī)模大約在數(shù)億美元左右，僅僅一家只有20多人的小公司(美國SP3公司)，去年的銷售額就達(dá)2千多萬美元。
國內(nèi)目前尚無金剛石膜涂層產(chǎn)品上市。國內(nèi)不少單位，如北京科技大學(xué)、上海交大、廣東有色院、勝利油田東營迪孚公司、吉林大學(xué)、北京天地金剛石公司等都在進(jìn)行金剛石膜涂層硬質(zhì)合金工具的研發(fā)，目前已在金剛石膜的結(jié)合力方面取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。北京科技大學(xué)采用滲硼預(yù)處理工藝(已申請專利)成功地解決了金剛石膜的結(jié)合力問題，所研制的金剛石膜涂層車刀和銑刀在加工Si-12％AI合金時(shí)壽命可穩(wěn)定提高20-30倍。并已成功研發(fā)出“強(qiáng)電流直流擴(kuò)展電弧等離子體CVD"金剛石膜涂層設(shè)備(已申請專利)。該設(shè)備將通常金剛石膜沉積設(shè)備的平面沉積方式改為立體(空間)沉積，沉積空間區(qū)域很大，可容許金剛石膜涂層工具的工業(yè)化生產(chǎn)。該設(shè)備可保證在工具軸向提供很大的金剛石膜均勻沉積范圍，因此特別適合于麻花鉆頭、端銑刀之類細(xì)長且形狀復(fù)雜工具的沉積。目前已經(jīng)解決這類工具金剛石膜沉積技術(shù)問題，所制備的金剛石膜涂層硬質(zhì)合金鉆頭在加工碳化硅增強(qiáng)鋁金屬基復(fù)合材料時(shí)壽命提高20倍以上。目前能夠制備的金剛石膜涂層硬質(zhì)合金鉆頭最小直徑為lmin。目前正在和國內(nèi)知名設(shè)備制造廠商(北京長城鈦金公司)合作研發(fā)工業(yè)化商品設(shè)備，生產(chǎn)能力為每次沉積硬質(zhì)合金鉆頭(或刀片)300只以上，預(yù)計(jì)年內(nèi)可投放國內(nèi)外市場。
3 類金剛石膜(DLC)
類金剛石膜(DLC)是一大類在性質(zhì)上和金剛石類似，具有8p2和sp3雜化的碳原子空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的非晶碳膜。依據(jù)制備方法和工藝的不同，DLC的性質(zhì)可以在非常大的范圍內(nèi)變化，既有可能非常類似于金剛石，也有可能非常類似于石墨。其硬度、彈性模量、帶隙寬度、光學(xué)透過特性、電阻率等等都可以依據(jù)需要進(jìn)行“剪裁”。這一特性使DLC深受研究者和應(yīng)用部門的歡迎。
DLC的制備方法很多，采用射頻CVD、磁控濺射、激光淀積(PLD)、離子束濺射、真空磁過濾電弧離子鍍、微波等離子體CVD、ECR(電子回旋共振)CVD等等都可以制備DLC。
DLC的類型也很多，通常意義上的DLC含有大量的氫，因此也叫a：C—H。但也可制備基本上不含氫的DLC，叫做a：c。采用高能激光束燒蝕石墨靶的方法獲得的DLC具有很高的sp3含量，具有很高的硬度和較大的帶隙寬度，曾被稱為“非晶金剛石”(Amorphorie Diamond)膜。采用真空磁過濾電弧離子鍍方法制備的DLC中sp3含量也很高，叫做Ta：C(Tetragonally Bonded Amorphous Carbon)。
DLC具有類似于金剛石的高硬度(10GPa-50GPa)、低摩擦系數(shù)(0．1一0．3)、可調(diào)的帶隙寬度(1_2eV～3eV)、可調(diào)的電阻率和折射率、良好光學(xué)透過性(在厚度很小的情況下)、良好的化學(xué)惰性和生物相容性。且沉積溫度很低(可在室溫沉積)，可在許多金剛石膜難以沉積的襯底（未完，下一頁）
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