超硬涂层知识图文并茂详解(6种)

1、 /8超硬涂层知识图文并茂详解（6种）SuperhardcosatIayrBaseFilm超硬涂层材料通常由ni、w和v主族元素构成的单质或共价键化合物组成，目前能够满足这个标准的材料有金刚石、类金刚石（DLC）、立方氮化硼（cBN）、碳化氮（C3N4）等。利用PVD或CVD法将这些材料沉积到基体表面即可获得超硬涂层，这种涂层不但具有与材料本身同样的优良特性，如极高的硬度、极低的摩擦因数、极强的耐磨和耐腐蚀性能、良好的导热和化学稳定性能、高的禁带宽度等，而且其实用性较材料本身更强。1）、金刚石涂层金刚石是自然界中已知硬度最高的物质，此外它还具有低的摩擦因数、高的弹性模量、高的导热系数、高的声传

2、播速度、宽的能带隙以及良好的化学稳定性等，然而天然金刚石的存量及价格限制了它的大规模商业化应用。目前一般会采用CVD法制备金刚石涂层，它具有与天然金刚石非常相近的物理和化学性能，根据金刚石的晶粒尺寸，可以将CVD金刚石涂层分为微米晶金刚石（MCD）涂层和纳米晶金刚石（NCD）涂层，其中，晶粒尺寸小于10nm时，被称作超纳米金刚石（UNCD）涂层。CVD金刚石涂层制备技术已取得了非常大的进展，部分产品已进入产业化推广阶段，并形成了一定的市场规模，应用领域非常多，如下图所示：薄膜涂层磨料磨具CVD金刚石i涂层的应用功率微波、X薄膜涂层磨料磨具CVD金刚石i涂层的应用功率微波、X射线等窗口r发光二极

3、管场效应管，?i敏电阻等具，拉丝模芯等果高性能声表面波器件r大功率集成、电路,超高速I计算机等7跖性能探测】L裾和传感器等2）、类金刚石（DLC）涂层利用离子束沉积技术制备了一种化学组成、光学透过率、硬度以及耐磨损等性能与金刚石相近的非晶碳涂层。这种碳涂层具有以sp3键碳共价结合为主体，混合有sp2键碳的亚稳态长程无序立体网状结构，被称为类金刚石（DLC）涂层。由于DLC涂层中既有类似于金刚石的sp3键合形式，又有类似于石墨的sp2键合形式，因而其结构和性能介于金刚石和石墨之间。DLC涂层具有与金刚石涂层非常相近的性能，即极高的硬度、电阻率、导热系数、电绝缘强度、高红外透射性以及光学折射率，同

4、时具有良好的化学稳定性和生物相容性等，在机械、电子、光学、声学、计算机以及生物医学等领域有着广阔的应用前景。不过受沉积方式和环境的影响，DLC涂层中还可能含有氢等杂质，含各种C-H键，因此不同的制备方法和工艺条件对涂层的性能，尤其是硬度的影响很大。DLC涂层的制备方法很多，比金刚石涂层更容易制备，基体温度不高，而且可在各种基体上沉积。目前其制备方法包括PVD和CVD两种方法。3）、立方氮化硼（cBN）涂层氮化硼是一种ni-v族共价化合物，和碳类似，既有软的六角sp2杂化结构，又有类似于金刚石的sp3杂化结构。氮化硼有四种异构体，其中，cBN具有与金刚石类似的结构，晶体中氮原子与硼原子以SP3的

5、形式杂化，是一种面心立方闪锌矿结构，硬度仅次于金刚石，其韦氏硬度大约为49GPa。cBN涂层具有比金刚石更高的热稳定性和化学稳定性，其在空气中氧化后会形成高密度的B2O3涂层，阻止内部进一步氧化，它的抗氧化性优于金刚石的，在1200以下不与金属铁反应，可以广泛用于精密加工和研磨钢铁等黑色金属。因此，cBN是理想的刀具及各种机械耐磨部件的耐磨涂层，同时它也可以用作各种热挤压和成型模具的表面防护涂层。此外，从红外到紫外（包括可见光）波谱范围内，cBN涂层还具有良好的透光性，适合作为一些光学组件，特别适合作为硒化锌、硫化锌等光学窗口材料的表面防护涂层。cBN宽的光带间隙、高的导热系数以及良好的绝缘性

6、也使得它在微电子领域同样具有非常广阔的应用前景。目前制备cBN涂层的方法主要有HTHP法、CVD法和PVD法。HTHP法的设备复杂、成本高，其工业应用受到一定限制，因此PVD法和CVD法得到了越来越多的应用。4）、氮化碳（C3N4）涂层氮化碳（C3N4）涂层采用共轭梯度法计算后认为，可能存在a-C3N4、B-C3N4、立方相c-C3N4、准立方相p-C3N4以及类石墨相g-C3N4等5种结构，其中除了类石墨相外，其它四种结构的硬度都接近或超过了金刚石的硬度。除了极高的硬度以外，C3N4还具有高弹性、低摩擦因数、抗氧化、耐磨损以及耐腐蚀等优良的性能，其化学惰性和稳定性优于金刚石的，同时具有较大的

7、禁带宽度、较高的折射率等特性。因此，C3N4材料被预言可能是一种理想的发蓝光、高温半导体或场致发射材料，常用制备C3N4涂层的方法有反应溅射法、离子束辅助沉积（IBAD）法、PLD法、PECVD法以及离子注入法、离子镀法等。5）、纳米多层结构涂层及纳米复合涂层.纳米多层结构涂层在研究金/镍和铜/钯纳米多层结构涂层时发现，涂层在小调制周期时存在异常升高的超模量和超硬度效应。这种力学性能异常升高的效应及其强化机制引起了许多研究者的兴趣，成为涂层材料的研究热点之一。纳米多层结构涂层是指两种及以上材料或结构层以纳米级厚度交替排列而成的涂层体系，在厚度方向上存在纳米量级的周期性，这种结构存在大量界面，可

8、以有效调整涂层中的位错和缺陷及其运动，增加材料的韧性，阻碍裂纹扩展，从而获得更高的硬度、弹性模量。纳米多层结构涂层可以人为设计和制备。根据材料的种类不同，纳米多层结构涂层主要可以分为金属/金属、金属/陶瓷（氮化物、碳化物或硼化物等）、陶瓷/陶瓷涂层等；根据晶体结构不同，纳米多层结构涂层可以分为单晶/单晶、多晶/多晶、非晶/多晶、非晶/非晶涂层等。PVD法是目前实验室制备纳米多层结构涂层常用的方法，一般是通过开启或关闭、屏蔽不同靶源，或者是使工件旋转交替经过不同的靶源，不同的靶源通过气体发生反应或直接沉积在工件表面形成多层结构涂层。磁控溅射是最常见的制备方法，包括直流多靶、射频、非平衡、单极和双

9、极脉冲磁控溅射，此外还有磁控与过滤电弧、电弧与激光、PVD和CVD技术结合等方法。目前，超硬纳米多层结构涂层技术仍处于研发中，还有许多理论和技术问题需要研究和解决。.纳米复合涂层超晶格或纳米涂层以其奇异的使用性能引起了广泛兴趣。在此背景下，提出了纳米晶-无定形材料超硬涂层的概念，认为这种纳米涂层的晶粒完整，不含或含有少量晶体缺陷，硬度和体积弹性模量几乎接近理论值（常用实际材料仅为理论值的1/100左右）。硬度超过105GPa的nc-TiN/a-Si3N4/a-&nc-TiSi2纳米复合涂层（nc为纳米晶，a为非晶），这使得金刚石作为最硬材料的地位受到了威胁。纳米复合涂层是涂层基体里含有纳米尺寸

10、（直径小于10nm）的单晶金属或其它化合物粒子的纳米复合材料，基体相可以是纳米晶，也可以是非晶。试验结果表明，当晶粒尺寸为10nm甚至更小时，晶界区域的原子数与晶内的原子数相当，甚至更多，晶界位置阻止了位错的形成，晶界滑动机制代替了控制传统材料变形的位错运动机制；当晶粒尺寸小于5nm时，原子力参与材料的形成过程，可能会形成纳米晶亚原子结构。这些过程的综合作用使纳米复合涂层的性能发生了变化，如极高的硬度和体积弹性模量、高的弹性恢复和韧性、良好的热稳定性和抗氧化性能等。此外，纳米复合涂层的合成成本较低，具有非常好的市场前景，是一种可能替代金刚石的多功能材料。总结普通硬质和超硬涂层因其优良的性能在众多领域都得到广泛应用。机械和结构零件在高精度、高负荷、高温等非常苛刻的条件下工作。由于磨损、腐蚀等原因通常会造成零件失效，这就对材料以及表面防护涂层的性能提出了更高的要求。因此普通硬质和超