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保护零件的最佳盔甲:硬质涂层之“超硬涂层”篇
发布时间: 2021-01-25 17:07 | 【 【打印】【关闭】

  超硬涂层材料通常由Ⅲ、Ⅳ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。

  经过多年的研究开发,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:

  

 

  ②类金刚石(DLC)涂层 

  1971年,Aisenberg等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。

  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,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也使得它在微电子领域同样具有非常广阔的应用前景。

  ④氮化碳(C3N4)涂层 

  早在1989年,美国伯克利大学的Liu等以β-Si3N4的晶体结构为出发点,首次从理论角度预言了一种自然界中不存在、但硬度和体积模量可以达到或超过金刚石的化合物——氮化碳(C3N4)?1996年,Teter等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,目前已成为世界范围内碳基超硬材料研究的热点?

  总结 

  目前超硬涂层材料被广泛用于半导体工业、仪表工程、航空航天制造、核电装备和现代工业制造等诸多领域——例如,DLC涂层就因其优异的力学性能和物化特性,在切削刀具、机械制造等领域获得了大量的关注和研究。

  不过要确保涂层实际使用效果理想,除了要对普通硬质和超硬涂层的制备及改性技术进行深入研究外,还需要根据涂层服役工况,进行相关的性能研究及损伤监测,避免因涂层分层、开裂、腐蚀、变色而导致涂层完全失效。因此要用好涂层的话,需要做的工作还有很多。

  文章来源:粉体圈、新材料网

  文章链接:http://www.xincailiao.com/news/news_detail.aspx?id=586068

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