CVD金刚石膜产业化应用问题分析及展望

CVD金刚石膜材料具有优异的力、热、声、光、电学等性质并由于尺寸可控从而弥补了天然金刚石在尺寸、杂质方面的应用限制,因而具有广阔的发展前景。结合当前金刚石膜应用发展中遇到的技术及经济问题,从金刚石膜产品质量的提高及生产成本的控制两方面讨论了CVD金刚石膜在今后大规模产业化应用中应注意的细节。在提高金刚石膜产品质量上,应努力缩短与国外厂家在CVD设备设计及制造方面的差距,提高金刚石膜材料的机械强度以及增强金刚石膜与衬底材料间的结合力;在控制金刚石膜产品价格上,可通过循环利用反应气体,改进反应腔结构,合理调配功率等手段降低生产成本以增强CVD金刚石膜的市场竞争力。今后应针对金刚石膜材料的光学、声学、化学、电学以及生物学等领域不断开发更广泛的新用途。     

干法刻蚀图形化CVD金刚石膜研究进展

CVD金刚石膜因其极高的强度和耐磨特性在微机电系统(MEMS)领域具有极好的应用前景,然而其极高的硬度和化学惰性又使其很难被加工成型,这极大地限制了CVD金刚石膜在MEMS领域的应用。本文主要介绍了近年来干法刻蚀图形化CVD金刚石膜的研究进展,系统地分析了激光刻蚀,等离子体刻蚀,等离子体辅助固体刻蚀的原理及其各自优缺点,着重论述了国内外采用等离子体刻蚀CVD金刚石膜的研究现状。     

CVD金刚石膜新兴研究方向及市场现状与趋势

CVD金刚石膜研究已经持续了30余年,但仍然充满活力,新的研究方向不断出现.纳米(和超纳米)金刚石膜、金刚石膜MEMs(微机电系统)和NEMs(纳机电系统)应用、大尺寸CVD金刚石单晶、金刚石膜电化学应用和生物医学应用是当前CVD金刚石膜的研究热点.CVD金刚石膜研究已经进入工业化应用阶段.当前的主要应用市场仍然是工具(摩擦磨损)、高端产品,如热沉、光学、探测器和传感器、SOD、SAW等虽已有产品上市,但市场规模不大.当前阻碍CVD金刚石膜市场发展的主要因素是高昂的制备和加工成本,以及金刚石膜和异质材料的连接技术.可以相信,随着上述问题的逐步解决,CVD金刚石膜的应用市场必将出现一个欣欣向荣的局面.     

化学气相沉积金刚石薄膜刀具膜/基附着性能研究现状

CVD金刚石薄膜涂层刀具被认为是能最早实现CVD金刚石工业化应用的领域之一.目前,限制CVD金刚石薄膜涂层刀具产品大规模产业化应用的主要原因,是金刚石薄膜与硬质合金基底之间粘附性能较差.如何提高膜/基粘附性能,确保CVD金刚石薄膜涂层刀具优异性能的发挥、涂层刀具的使用寿命和加工性能,已成为材料科学工作者迫切需要解决的问题.介绍了影响CVD金刚石薄膜硬质合金刀具膜/基附着性能的主要因素、改善金刚石薄膜与硬质合金基体之间附着力的途径以及表征膜/基附着力的测试方法等方面的研究成果,并对提高低压气相金刚石薄膜硬质合金刀具膜/基附着性能的研究现状进行了分析.     

CVD金刚石自支撑膜的研究进展

金刚石膜以其最高的硬度、热导率、热震性能以及极高的强度等优点得到了越来越多的关注。自20世纪低压化学气相沉积技术成功制备出金刚石以来,在世界范围内,金刚石的制备技术及应用研究得到了快速发展。分别对国内外自支撑金刚石膜材料的制备技术及相关应用进行简要介绍,并讨论近几年我国在高质量金刚石膜材料制备技术方面取得的进展。目前主要的制备技术有热丝、直流辅助等离子体、直流电弧等离子体喷射、微波等离子体化学气相沉积(CVD)等方法。在小尺寸、高质量金刚石膜的制备技术基础上,21世纪初,国外几大技术强国先后宣布实现了大面积、高质量CVD金刚石膜的制备,并将其用于诸如红外光学窗口等高技术领域。我国也在CVD金刚石膜研发方面不断进步,先后掌握了热丝、直流电弧等离子体喷射、直流辅助等离子体CVD等合成大面积金刚石自支撑膜技术,近几年也掌握了915 MHz微波等离子体CVD技术,这些成果也标志着我国在高质量金刚石膜制备技术领域跟上了世界先进水平。     

CVD金刚石薄膜基体材料的选择

论述了CVD金刚石薄膜基体材料的性质，给出了选择金刚石薄膜基体材料的方法，并对各种材料的膜基结合力情况作了简要评述。     

硬质合金基体金刚石薄膜摩擦学性能研究的进展

硬质合金基体表面沉积金刚石薄膜可以提高其硬度和耐磨性,延长其使用寿命,有效保护和节约钨、钴等稀有金属。作为一种多晶膜,金刚石薄膜的摩擦系数直接影响了其在摩擦学领域的应用。对近年来硬质合金基体表面CVD金刚石薄膜的摩擦磨损性能的研究状况进行了阐述,分析了CVD金刚石薄膜在摩擦实验过程中的摩擦磨损机制,并对金刚石薄膜在摩擦学领域中的应用研究进行了展望。     

金刚石膜机械和机械-化学抛光

化学气相沉积(CVD)法生成的金刚石膜具有天然金刚石的基本性质，在机械、电子、光学等领域都有着广泛的应用。但CVD金刚石多晶膜表面凹凸不平，表面粗糙度较大，限制了它的广泛应用，因此，金刚石膜的抛光成为必不可少的工艺步骤。但是，金刚石膜的硬度非常高，且厚度薄，整体强度低，易破裂或剥落，抛光难度很大。国内外学者通过实验和研究，提出了多种金刚石膜抛光的理论和方法。本文详细论述了几种典型的机械、化学、机械-化学抛光方法的机理、工艺和特点。     

利用热等离子体CVD工艺合成大面积金刚石薄膜

CVD金刚石可以用各种方法合成，其中晶粒生长速度最快的则为热等离子体CVD工艺。我们试验室过去曾试图用DC等离子体CVD工艺合成金刚石厚膜，并就膜与基底的附着强度和膜的性质作过探讨。但是，热等离子体工艺存在沉积面积和膜质量都不如其它CVD工艺等问题。CVD金刚石薄膜应用中对扩大沉积面积有着强烈的需求。本研究试图通过控制沉积压力、输入功率等沉积参数扩大等离子体直径，以沉积出大面积金刚石薄膜。我们的目的是利用热等离子体CVD工艺沉积出生长速度高、面积大且膜厚均匀的金刚石薄膜。同时探讨了合成条件对金刚石薄膜形状的影响。本研究得出的结果如下：(1)随着沉积压力的降低，金刚石晶粒尺寸减小，成核密度增加。金刚石的结晶性则几乎不受沉积压力的影响。(2)随着等离子体电流的增加，金刚石晶粒尺寸减小，成核密度增加。增加等离子体电流也可改善金刚石的结晶性。(3)降低沉积压力和增加等离子体电流均可扩大等离子体射流，但是金刚石沉积面积的变化并不明显。(4)随着沉积压力的降低和等离子体电流的增加，金刚石的结晶性均会增加。降低沉积压力和增加等离子体电流有利于改善金刚石薄膜的均匀性。     

化学气相沉积金刚石膜的研究与应用进展

化学气相沉积(CVD)金刚石膜具有极其优异的电学(电子学)、光学、热学、力学、声学和电化学性能的组合,因此在一系列高新技术领域有非常好的应用前景,并曾在20世纪80年代中期形成席卷全球的"金刚石热"。30余年来,CVD金刚石膜研究取得了极其巨大的进展,但在产业化应用方面仍不尽人意。本文对此进行了比较详尽地综述和评论,希望更多的人了解,并推进其研究和产业化进展。     

CVD金刚石厚膜刀具及应用研究

热丝CVD法沉积金刚石厚膜为全晶质纯多晶金刚石材料,是制造切削刀具的理想材料。本文针对国内外CVD金刚石厚膜焊接刀具研究与应用中存在的关键技术问题,结合我所近期相关技术研究进展,重点介绍了其制造工艺及关键技术。     

CVD金刚石膜与常用红外光学材料抗砂蚀性能对比研究

目的通过分析CVD金刚石膜与几种常用红外光学窗口材料在砂蚀过程中形貌特征以及红外透过率的变化规律,获得CVD金刚石膜在砂蚀过程中的材料去除机制及抗砂蚀性能的关键因素。方法采用喷射式冲蚀磨损系统,对CVD金刚石膜及其他几种常见红外光学材料进行砂蚀性能测试。通过扫描电子显微镜对材料冲蚀后表面形貌进行观察,电子天平测量红外材料砂蚀率。采用红外光谱仪对砂蚀前后红外光学材料进行测量,评价其冲蚀前后的红外性能变化。结果 CVD金刚石膜抗砂蚀能力远高于Ge、ZnS、MgF_2以及石英玻璃。在设定测试条件下,仅经过6 s冲蚀,除CVD金刚石膜外,其余光学材料的红外透过性能下降40%~60%。而CVD金刚石经受240 min的相同条件冲蚀,其红外透过率仅下降9.5%,显示出极佳的抗砂蚀能力。结论 CVD金刚石膜的冲蚀过程主要是微裂纹形成及扩张连接导致材料流失。其他材料的冲蚀过程既有裂纹扩展,也有反复的切削、犁削,而后者是这些材料被冲蚀的主要原因。     

大面积光学级金刚石自支撑膜制备、性能及其在高技术领域应用前景

大面积光学级金刚石自支撑膜的制备和加工是近年来在CVD金刚石研究领域的最重要的技术进展之一;在军事和民用光学领域有非常重要的应用前景.综述了北京科技大学近年来在CVD金刚石膜光学应用领域的研究进展;给出了采用高功率直流电弧等离子体喷射(DC Arc Plasma Jet) CVD工艺制备大面积光学级金刚石自支撑膜的研究结果;对所制备的光学级金刚石自支撑膜的光学、力学(机械)、热学、微波介电性能、抗氧化、抗热震、抗砂蚀和抗激光损伤等方面的最新研究结果,及其在高新技术领域中的应用前景及前沿问题进行了讨论.     

《中国表面工程》2010年第3期

大面积光学级金刚石自支撑膜制备、性能及其在高技术领域应用前景 大面积光学级金刚石自支撑膜的制备和加工是近年来在CVD金刚石研究领域的最重要的技术进展之一;在军事和民用光学领域有非常重要的应用前景。     

CVD金刚石切削工具

CVD金刚石不含任何金属或非金属添加剂，机械性能兼具单晶金刚石和聚晶金刚石(PCD)的优点，而又在一定程度上克服了它们的不足。大量实践表明，焊接型CVD金刚石工具的使用寿命大大超过聚晶金刚石工具，有几乎相同的硬度和耐磨性，其抗冲击性优于单晶金刚石膜。因此，CVD金刚石被认为是非铁材料加工业中最理想的工具材料。据预测，在二、三年内，CVD金刚石工具将逐步代替天然金刚石工具以及目前已使用了二十多年的PCD工具，从而大大提高生产效率，降低生产成本。     

CVD金刚石大单晶外延生长及高技术应用前景

CVD（化学气相沉积）金刚石大单晶生长是CVD金刚石膜研究领域在过去十余年中所取得的重大技术进展之一,在一系列高新技术领域有极其重要的应用前景。针对CVD金刚石大单晶的制备和应用进行了综述。首先对CVD金刚石大单晶生长技术进行了概括性的描述,然后对CVD金刚石单晶制备方法进行详细介绍和评述。并对CVD大单晶在高性能辐射（粒子）探测器、金刚石高温半导体器件、高压物理试验、超精密加工以及在首饰钻戒等方面的应用现状与前景进行了介绍与评述。最后针对CVD高仿钻戒与天然钻戒的鉴别进行了评述,并提出了新的建议。     

CVD金刚石膜的抛光研究进展

化学气相沉积的金刚石膜表面一般比较粗糙,需要经过抛光才能实现其具体的工业应用。本文介绍了各种抛光CVD金刚石膜的方法及近来研究进展,分析了各种技术的优缺点,并结合工业应用对CVD金刚石膜的抛光前景作了展望。     

超硬材料刀具的特性及应用

本文主要介绍了单品金刚石刀具，高温高压合成的聚品金刚石（PCD）刀具，聚晶立方氮化硼（PCBN）刀具及化学气相沉积的金刚石膜（CVD）刀具的特性及应用。我们做了有关CVD刀具与PCD刀具耐磨性的切削试验：通过试验可以看出，CVD刀具确实有较好的耐磨性，但是在切削时间为17min时，由于CVD较PCD脆，在25倍显微镜下观察发现CVD金刚石刀具的刀口有明显的崩刃。另外发现，CVD金刚石刀具在制造及使用过程中也极易出现崩刃现象，所以目前大多数厂家仍以使用PCD刀具为主，CVD金刚石刀具的推广仍需要一个过程。     

纳米金刚石膜的研究与应用

自美阿贡国家实验室的Gruen等在1994年首次报道，使用微波等离子体CVD工艺在Ar气氛中引入少量C60制备纳米金刚石膜以来，纳米金刚石膜已成为CVD金刚石膜研究领域的一个新的热点，在国内外的学术刊物上有关纳米金刚石膜的研究报道不断涌现，但是，由于纳米金刚石制备方法的多样性和结构表征的复杂性，迄今为止在不少问题上仍然存在争议。本文仅就纳米金刚石膜的沉积与C2基团，纳米金刚石膜的表征和纳米金刚石膜的应用前景做了一简要的阐述，以引起众多研究工作者对这项具有创新性的研究成果予以关注。     

CVD金刚石自支撑膜的力学性能

CVD金刚石自支撑膜已经作为一种崭新的工程材料出现,其应用日益广泛,急切需要对其力学行为进行深入了解。为此对有关金刚石膜的断裂强度和断裂韧度的研究,以及金刚石膜的断裂机制进行了详尽的论述。简略介绍了金刚石膜的断裂强度和断裂韧度的测试方法,给出了典型的测试数据。最后就如何提高金刚石膜的力学性能和更好地应用这种新型工程材料提出了建议。