1.1金刚石薄膜材料简介 1.1.1金刚石品体结构及形态碳以非晶态的碳黑、六方片层结构的石墨、立方系的金刚石三种同素弄形体的形式存在于口 然界金刚石是典型的原了晶系，属于等轴晶系，晶体结构如图所示图金刚石晶体结构 图金刚石的品胞 图金刚石结构金刚石品格是重要的一种基本品格结构金刚石属面心立方结构,每个品胞内有8个碳原子, 如图12由面心立方单元的中心到顶角引8条对角线，在具中互不相邻的4条对角线的中点, 各加一个原了就得到金刚石晶格结构这个结构的一个重要特点是:每个原了有4各最近邻, 它们正好在一个正四面体的顶角位置，如图金刚石品体中碳原子是(sp3)4的构型，四个sp3电子和其它碳原子分别生成四个键，生成 的四个键相互以109°28/夹角呈四面体方向空间分布在金刚石晶体中所冇空间立体分 布的C-C键组成一个空间的网架C-Co键的键长短键强高，因此组成的金刚石晶体是所 有己知材料中最坚硬的C-C键中的电子不容易离开所在的键，也不容易激发，所以金 刚石通常不导电也不容易吸收光子，因此纯净的金刚石是无色透明、非常良好的光学材料 金刚石的宏观晶体形态多种多样，其中最常见的主要为八面体、菱形十二面体，其次主要为 立方体。
低压气相沉积的金刚石薄膜，用扫描电子显微镜(SEM)进行表血形貌观察，常发现 具出现多种晶体形态，而不同形态的出现，与低压气相沉积过程的工艺参数有着密切的关系 1丄2金刚石薄膜材料的优异性能及其应用前景由于金刚石的特殊的晶体结构，使得金刚石具冇许多优异的性能例如金刚石具冇自然界所 有材料中最高的硬度(HVJOOGPa),其硕度是碳化硅的3倍；极高的耐磨性，耐磨性是氧 化铝夺得5倍；最高的热导率，室温下为银的4倍，铜的5倍，硅的15倍(20W/(cm*K)), 80K时为铜的25倍，此时热导率也最高；最高的传声速度，传声速率是钢的3倍；以及小 的介电常数；既是电的绝缘体，又是热的良导体，而掺杂示又可成为卓越的P型或N型半 导体，有人的空穴迁移率，对可见光和红外辐射透明等等，这些优越性质一直受到人们的广 泛关注但是由于天然金刚石在自然界比较稀少，而人们的需求量又大，因此许多国家都积极投入研 究人工合成金刚石的制备方法并随着科技的进步取得了巨人的进步1954年美国通川电 气公司首先宣告在高温高压下第一粒金刚石晶体研制成功；1970年前苏联科学家Deryagin, Spitsyn和Fedoseev等人首先发现低温低压条件下成功制备出金刚石;随后口木科学家Setaka 等人与美国学者Roy等人实验证实，低压气相生长的方法可以成功沉积出金刚石薄膜。
并由 此引起世界轰动，引发世界众多科学工作者的兴趣，掀起金刚石薄膜热其主要原因在于金 刚石薄膜的优异性能及其广泛的应用前景1.1.2.1金刚石的力学性能金刚石的显微硬度达HVJOOGPa,是世界上已经发现的最硬的物质比硬质合金及切削用 陶瓷的硬度高几倍，表1为金刚石与其它几种硬质材料的硬度比较，从表中可以看到，金刚 石的压痕硬度大约是石英的8.5倍，刚玉的4.4倍，碳化鸭的3.7倍，立方氮化硼的1.56倍 表1金刚石与其它几种硬质材料的硬度比较硬度 金刚石 立方氮化硼 碳化钩 刚玉 石英压痕硕度Knoop (kgf/mm2) 7000 4500 1880 1600〜2000 820显微硬度Hv(kgf/mm2) 10000 8000 〜9000 2400 2060 1120莫氏硬度 10 9.9 〜 8.9-9.1 7.0表2为天然金刚石与CVD金刚石薄膜的力学性质比较从表中可以看出研制出的金刚石基 本已经可以达到天然金刚石的硬度，加上其低摩擦系数，极高的耐磨性、导热率、弹性模量、 杨氏模量、化学稳定性、低膨胀系数，因此金刚石膜成为中高速切削加丄有色金属及其合金、 复合材料和硬脆非金属材料的最佳侯选刀具材料之一。
特别适合汽车，摩托车用高硅铝合金 缸体材料的车削加工金刚石刀具产业，随着低成本生产工艺的突破，将会得到更大的发展 空间和广泛应用此外，金刚石低的密度和弹性模量，以及在声音中传播速度良好，乂可作为高保真扬声器高 音单元的振膜,是高档音响扬声器的优选材料；金刚石摩擦系数低,散热快，可作为宁航高 速旋转的特殊轴承；金刚石的离散热率，低摩擦系数和透光性，还可作为军用导弹的整流罩 材料表2：天然金刚石为CVD金刚石薄膜的力学性质比较 力学性能 天然金刚石 CVD金刚石薄膜硬度/GPa 100密度/(g/cm3) 熔点/°C 4000弹性模最/ Pa 杨氏模量/GPa 泊松比 0.2 热冲击系数/(W/m)摩擦系数70 〜1003.515 2.8 〜3.5接近40001.04x10121200 10501070.08 〜0.1断裂韧性MPa*ml/2 拉伸强度ob/GPa 热膨胀系数/(X10-6/K)2.7 (500K)约3.4 1〜8约 3 0.2 〜0.41.0 (300K)2.7 (500K)1.0 (300K)4.4 (1000K)4.4 (1000K)1.1.2.2金刚石的电学性能表1-3金刚石与金刚石薄膜的主要电学性能犬然金刚石5.451016CVD金刚石5.45>1012电学性能禁带宽度/eV电阻率Q*cm3.5x106220016002.5x1075.513击穿电压/(V/cm)电子迁移率[cm2/(V・s)]空穴迁移率[cm2/(V・s)]饱和电子漂移速度/(cm/s)相对介电常数 5.5产生电子空穴对能最/eV2.8~3.510~20质量密度/(g/cm3) 3.515热导率/[W/(cm・K)] 20表列岀了天然金刚石与CVD金刚石薄膜的主要电学性能。
金刚石具有宽的带隙，高热导， 高的电了、空穴迁移率，高的击穿电压，可制作成在600°C以下能正常工作的耐高温器件; 工作温度高还可制作成大功率品体管和半导体温度计；也可作为耐辐射器件在宇航飞船和原 子能反应堆等强辐射环境中正常工作山于金刚石薄膜的掺杂，可半导体化，使金刚石材料 成为优异的半导休材料，在半导体的应用中引发电子领域的革命1.1.2.3金刚石的光学性能金刚石的光学性能见表1・4,除了 3〜5ym位置的微小吸收峰外，从紫外到远红外整个波段 金刚石高的透过率，可作为太阳能电池的防反射膜，同时也是大功率红外线激光气和探测器 的理想窗口材料；金刚石的鬲透过率、高热导、优异的力学性能、发光特性和化学惰性，nJ" 表1-4金刚石的光学性质光学性能 性能透明性 225nmT远红外光吸收 0.22折射率 0.241 (5900nm)禁带宽度/eV 5.45热导率/[W/(cm*K) 20作为光学上的最佳应用材料，诸如各种光学透镜的保护膜；利用雷达波在穿透金刚石膜不易 失真的特性口J以用作雷达罩；飞机和导弹在超咅速飞行时，头部锥形的雷达无法承受高温, 且难以耐高速雨点和尘埃撞击，川金刚石膜来制作雷达罩，不仅可以散热快，耐磨性好，还 可以解决雷达罩再髙速E行吋同吋承受高温的骤变问题。
如美国已制成①150mm、厚度微2~3mm的金刚石导弹头罩1.1.2.4金刚石的其他性能金刚石的热学性能见表1-5o从表中可以看出金刚石薄膜的热导率 已经接近天然金刚石的热导率金刚石薄膜山于电阻率高，可作为集成电路基片和绝缘层以 及固体激光器的导热绝缘表金刚石的热学性能热学性能 人工合成金刚石 天然金刚石热导率/[W/(cm・K) 理论 20 20单品 20 20热膨胀系数(灯0・6/°0 2.3 2.3电阻率Q・cm >1012 1016相对介电常数 5.7 5.7层近年来，高导热金刚石薄膜制备技术的发展，使金刚石热沉积在大功率激光器、微波器 件和集成电路上的应川变为现实金刚石热导率高、热容小，尤其是高温时的散热效能更为 显著，是散热极好的热沉积材料，现己经有金刚石热沉积产品出售金刚石具有很好的化学惰性，能耐各种温度下的非氧化性酸且金刚石的成分为碳，无毒, 对人体不起排异反应，加上它的惰性，乂与血液和其他流体不起反应，因此又是理想的医学 生物体植入材料，可作心脏瓣膜从现金已经知道的材料而言，金刚石集如此多的优界性能于一身，这正是科学工作者所期望 的，因此吸引了众多科学工作投入研究金刚石薄膜将是21世纪最有发展前途的新型材料，日、美、欧洲工业界正在大力开发金刚 石薄膜的应用。
并已经在金刚石切削刀具、金刚石膜热沉片、高保真扬声器高音单元用金刚 石振膜和金刚石膜窗口材料等方面形成产业化1.2金刚石薄膜材料在涂层刀貝-中的应用 1.2.1切削加工的发展方向及其对刀具材料的耍求20卅纪90年代以来，激烈的市场竞争推动以机械制造技术为先导的先进制造技术以前所未 有的速度和广度向前发展高牛产率和高质量是先进制造技术追求的两大口标高速切削、 精密和超精密切削是当前切削技术的重婆发展方向，已成为切削加工的主流技术高速切削的主要内容包括高速软切削、高速硬切削、高速干切削、大进给切削等通常认为 高速加工时的切削速度比常规切削速度高5〜10倍以上发展尖端技术、国防工业和微电子工业都离不开通过精帑和超精密加工制造的精密零件和产品通常将加工精度在0.1〜 加工表面粗糙度在Ra0.02〜O.gm的加工称为精密加丁；而将加丁精度高于O.^m 加工表血粗糙度小于RaO.Olum的加工称为超梢密加工超梢密加工可达到纳米(nm)级水平 不论是高速切削还是精密和超精密切削的发展都对刀具提出了更高的耍求，即刀具材料应具 有更高的耐磨性、红硬性、热韧性和热化学稳定性传统的高速钢和硬质合金已经不能满足 要求，新型切削刀具材料不断出现，陶瓷刀具、金刚石与立方氮化硼等超硕材料刀具、涂层 刀具、复合材料刀具已成为今后的发展趋势。
口前这类切削加工材料主要有：TiC(N)基硬质 合金(金属陶瓷)、Si3N4基陶瓷、硬质合金涂层刀具(涂层包括TiC、TiN、AI2O3> HfN、TiB、 金刚石及具复合涂层等)、聚晶人造金刚石(PCD)、聚晶立方氮化硼(PCBN)和超细晶粒硬质合 金等各种新型刀具材料这些材料各有特点，适用于加工的工件也不尽相同例如： SecoTools(上海)公司在"PCBN刀具材料的新进展及其在铳削中的应用〃论文中介绍了他们开 发的SECOMAX新品种 CBN300,具有很高的抗冲击性能，在上海通用汽车公司(SGM)新建的发动机柔性生产线上使用，取得了良好效果该刀具铳削发动机缸体平面时，切削速 度高达2000m/min,刀具寿命为普通PCBN刀具的4倍对刀具进行涂层处理是提髙刀具性能的途径之一涂层刀貝是在韧性较好的刀具基体材料上 涂覆一层或多层耐磨性高的驶质材料，使刀具具冇良好的韧性的同时也具冇很好的表面硬度 和耐磨性表1・6是常用的高硬度材料的特性，硬质合金涂层刀具虽然其硬度较高，适用于 的加工范围广，但抗氧化温度一般不高，所以切削速度的提高也受到其限制执八、、6~9材料 物理性能金刚石37273.52100009.702T220.3580.8~4.5TiC31604.9432003.136^4.5080.167^0.2507.4TiN29505.4421002.548^4.5080.20*0.2929.2WC280015.61800^22007.0560.292 4~6.2熔点(°C)导率(W/cm・K)密度(g/cm3) 硬度(HV)热膨胀系数(xl。