CVD金刚石薄膜涂层工具的研究概况

    1.引言

    金刚石具有优异的物理、化学性质，在自然界所有物质中具有最高的硬度、室温下有最高的热导率，同时具有极低的热膨胀系数、低摩擦系数、良好的化学稳定性、大的禁带宽度（5.5eV）、最高的声传播速度、较高的半导体掺杂性以及从远红外光区到紫外光区的光学透过性，如此众多的优异性能使得其在机械加工、微电子、光学等许多领域有着广阔的应用前景。

    然而自然界中天然金刚石数量极少，通过高温高压合成的人造金刚石由于受粒度限制且价格昂贵，使得具有优异性能的金刚石难以广泛应用于实际生产。1982年，Matsumto等人使用化学气相沉积法（CVD）制备出了金刚石膜，为金刚石的应用开辟了新的途径，从而在全世界范围内掀起了CVD金刚石膜研究热潮。目前我国也加大了对金刚石膜的研究投资力度，有多家研究单位投入了大量的人力、物力进行金刚石膜的开发和应用研究。根据国内技术发展现状和经济发展特点，金刚石薄膜涂层工具、金刚石热沉基片、场发射显示器件、声表面波器件及纳米金刚石膜的应用将有望陆续进入市场。其中，利用金刚石的高硬度、高导热性、低摩擦系数等优异特性，将金刚石薄膜涂层用于制作简单的可转位刀片和复杂形状的刀具，可解决有色金属及其合金和高耐磨复合材料等的加工难题。因此，CVD金刚石薄膜涂层工具在切削加工领域具有广阔的应用前景。

    2.金刚石膜CVD制备方法与品质评价

    2.1金刚石膜CVD制备方法

    目前，采用CVD合成金刚石膜的方法有很多种，主要包括：热丝CVD法、电子加速CVD法、直流放电等离子体CVD法、直流等离子体喷射CVD法、微波等离子体CVD法、电子回旋共振CVD法、高频等离子体CVD法、燃焰法、激光诱导CVD法、空心阴极等离子体CVD法等。在各种CVD方法中综合指标较好的是被研究单位广泛采用的微波CVD法和热丝CVD法。

    2.2金刚石膜品质评价方法

    目前常用的金刚石膜品质检测手段有：①用Raman光谱测量薄膜结构、纯度和膜内应力状况。其结果若相对于天然金刚石1332/cm特征峰向低波数方向移动，表明金刚石内应力为张应力；反之，表明膜内应力为压应力。②用X射线衍射分析薄膜层金刚石的晶面结构。③用扫描电镜观察薄膜表面形貌、成核速率和生长速度。④用红外光谱分析薄膜红外透过率。⑤用压痕法测定膜基界面结合力（膜基界面结合力是金刚石薄膜工具性能的重要评价指标）.最近的研究结果表明，用鼓泡法测量金刚石膜的弹性模量、泊松比、残余应力等，是一种非常有前途的测量金刚石薄膜力学性能的方法。

    3.CVD金刚石薄膜涂层工具研究概况

    3.1CVD金刚石薄膜涂层工具衬底预处理技术

    理想的刀具材料应具有极好的耐磨性，以延长刀具的使用寿命；具有高断裂韧性，以便承受高切削力。但大多数具有较好断裂韧性的刀具材料（如高速钢）通常不具备很好的耐磨性，而具有良好耐磨性的材料（如陶瓷材料）往往断裂韧性又不好。由于硬质合金（WC-Co）材料既有良好的耐磨性又有较高的断裂韧性，因此是国内外普遍采用的CVD金刚石薄膜涂层工具的衬底材料。

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