超硬涂层知识并茂详解6种

超硬涂层知识图文并茂详解（6种）超硬涂层材料普通由Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ主族元素构成的单质或共价键化合物构成，现在能够满足这个原则的材料有金刚石、类金刚石（DLC）、立方氮化硼（cBN）、碳化氮（C3N4）等。运用PVD或CVD法将这些材料沉积到基体表面即可获得超硬涂层，这种涂层不仅含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，并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，另外它还含有低的摩擦因数、高的弹性模量、高的导热系数、高的声传输速度、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。现在普通会采用CVD法制备金刚石涂层，它含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，能够将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，晶粒尺寸不大于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获得了非常大的进展，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，以下图所示：2）、类金刚石（DLC）涂层运用离子束沉积技术制备了一种化学构成、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。这种碳涂层含有以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构造，被称为类金刚石（DLC）涂层。由于DLC涂层中现有类似于金刚石的sp3键合形式，又有类似于石墨的sp2键合形式，因而其构造和性能介于金刚石和石墨之间。DLC涂层含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，同时含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。但是受沉积方式和环境的影响，DLC涂层中还可能含有氢等杂质，含多个C-H键，因此不同的制备办法和工艺条件对涂层的性能，特别是硬度的影响很大。DLC涂层的制备办法诸多，比金刚石涂层更容易制备，基体温度不高，并且可在多个基体上沉积。现在其制备办法涉及PVD和CVD两种办法。3）、立方氮化硼（cBN）涂层氮化硼是一种Ⅲ-Ⅴ族共价化合物，和碳类似，现有软的六角sp2杂化构造，又有类似于金刚石的sp3杂化构造｡氮化硼有四种异构体，其中，cBN含有与金刚石类似的构造，晶体中氮原子与硼原子以sp3的形式杂化，是一种面心立方闪锌矿构造，硬度仅次于金刚石，其韦氏硬度大概为49GPa。cBN涂层含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，制止内部进一步氧化，它的抗氧化性优于金刚石的，在1200℃下列不与金属铁反映，能够广泛用于精密加工和研磨钢铁等黑色金属。因此，cBN是抱负的刀具及多个机械耐磨部件的耐磨涂层，同时它也能够用作多个热挤压和成型模具的表面防护涂层。另外，从红外到紫外（涉及可见光）波谱范畴内，cBN涂层还含有良好的透光性，适合作为某些光学组件，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也使得它在微电子领域同样含有非常广阔的应用前景。现在制备cBN涂层的办法重要有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α-C3N4､β-C3N4､立方相c-C3N4、准立方相p-C3N4以及类石墨相g-C3N4等5种构造，其中除了类石墨相外，其它四种构造的硬度都靠近或超出了金刚石的硬度｡除了极高的硬度以外，C3N4还含有高弹性、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，同时含有较大的禁带宽度､较高的折射率等特性｡因此，C3N4材料被预言可能是一种抱负的发蓝光、高温半导体或场致发射材料，惯用制备C3N4涂层的办法有反映溅射法、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）、纳米多层构造涂层及纳米复合涂层①.纳米多层构造涂层在研究金/镍和铜/钯纳米多层构造涂层时发现，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发了许多研究者的爱好，成为涂层材料的研究热点之一。纳米多层构造涂层是指两种及以上材料或构造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，这种构造存在大量界面，能够有效调节涂层中的位错和缺点及其运动，增加材料的韧性，妨碍裂纹扩展，从而获得更高的硬度、弹性模量。纳米多层构造涂层能够人为设计和制备。根据材料的种类不同，纳米多层构造涂层重要能够分为金属/金属、金属/陶瓷（氮化物、碳化物或硼化物等）、陶瓷/陶瓷涂层等；根据晶体构造不同，纳米多层构造涂层能够分为单晶/单晶、多晶/多晶、非晶/多晶、非晶/非晶涂层等。PVD法是现在实验室制备纳米多层构造涂层惯用的办法，普通是通过启动或关闭、屏蔽不同靶源，或者是使工件旋转交替通过不同的靶源，不同的靶源通过气体发生反映或直接沉积在工件表面形成多层构造涂层。磁控溅射是最常见的制备办法，涉及直流多靶、射频、非平衡、单极和双极脉冲磁控溅射，另外尚有磁控与过滤电弧、电弧与激光、PVD和CVD技术结合等办法。现在，超硬纳米多层构造涂层技术仍处在研发中，尚有许多理论和技术问题需要研究和解决。②.纳米复合涂层超晶格或纳米涂层以其奇异的使用性能引发了广泛爱好。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点，硬度和体积弹性模量几乎靠近理论值（惯用实际材料仅为理论值的1/100左右）。硬度超出105GPa的nc-TiN/α-Si3N4/α-＆nc-TiSi2纳米复合涂层（nc为纳米晶，α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（直径不大于10nm）的单晶金属或其它化合物粒子的纳米复合材料，基体相能够是纳米晶，也能够是非晶。实验成果表明，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称，甚至更多，晶界位置制止了位错的形成，晶界滑动机制替代了控制传统材料变形的位错运动机制；当晶粒尺寸不大于5nm时，原子力参加材料的形成过程，可能会形成纳米晶亚原子构造。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。另外，纳米复合涂层的合成成本较低，含有非常好的市场前景，是一种可能替代金刚石的多功效材料。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。机械和构造零件在高精度、高负荷、高温等非常苛刻的条件下工作。由于磨损、腐蚀等因素普通会造成零件失效，这就对材料以及表面防护涂层的性能提出了更高的规定。因此普通硬质和超硬涂层的生产和使用应注意下列几