纳米金刚石材料的研究进展

纳米金刚石不但拥有金刚石材料优异的物理、化学特性,还具备一些在纳米尺度下的特殊性能,如半导体特性、良好的生物相容性及光学特性.其研究吸引了国内外研究人员的广泛关注,且关于纳米金刚石材料的制备、性能表征以及应用的相关研究逐渐开展.前期的研究显示:不同形貌的纳米金刚石材料需要特定的制备方法、且表现出各异的特殊性能,适合于不同的应用领域.文中首先介绍了纳米金刚石颗粒、薄膜、金刚石纳米片及金刚石纳米线的制备方法;其次阐述了各类纳米金刚石材料在光、电、力学等方面的特殊性能,并对纳米金刚石材料在民用、生物医药、军事等领域的应用进行了总结,最后展望了纳米金刚石材料的发展前景.     

氧气流量对MPCVD制备微/纳米双层金刚石膜的影响

应用微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)技术,以CH4/H2/Ar为主要气源,成功制备出了微/纳米双层金刚石膜.同时,在纳米膜层生长过程中,通过添加O2辅助气体,研究了不同O2流量对微/纳米金刚石膜生长的影响.结果表明,当O2流量在0 ～ 0.8 sccm范围时,所获得的金刚石膜仍为微/纳米两层膜结构;当氧气流量增加到1.2 sccm时,金刚石膜只有一层微米膜结构;而O2流量在0～ 1.2 sccm范围时,纳米层晶粒尺寸及品质与氧气流量成正比例关系.表明适量引入O2可以促进纳米层晶粒长大和提高膜品质.另外,当O2流量为0.8 sccm,所制备的微/纳米金刚石膜不仅品质好,而且生长率也较高.     

纳米金刚石薄膜的合成、表征及应用

纳米金刚石薄膜具有众多优异性能,在众多领域有广泛的应用.本文在详细介绍纳米金刚石薄膜合成的基础上,着重阐述了对纳米金刚石薄膜的表征,介绍了近边X射线的吸收光谱可有效地用于鉴别大面积纳米金刚石薄膜.     

不同结构金刚石涂层刀具的制备及性能参数优化

利用化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition)法,选取最佳工艺参数,在硬质合金刀具上制备微米、纳米及微/纳米金刚石复合涂层,采用SEM、Raman光谱、XRD测试分析涂层的表面形貌和化学纯度.结果显示,微米金刚石涂层结晶质量好,晶面取向以(111)(220)为主且金刚石纯度很高,纳米金刚石涂层表面光滑无明显择优取向,微/纳米复合涂层聚具有两种涂层的优点.采用压痕法、划痕法、微粒冲浆喷蚀(MSE)法对涂层的膜/基结合力及耐磨性进行测定.结果显示微米金刚石涂层的膜/基结合力最好,纳米金刚石涂层的最差.微/纳米金刚石复合涂层的耐磨性最好,纳米金刚石涂层的耐磨性最差.     

基于模型复制法的金刚石微结构制备研究

CVD金刚石膜是一种具有众多卓越特性的功能材料,在微机电系统(MEMS)领域有着广泛的应用前景.金刚石膜的精密微细图形化加工技术是将金刚石材料应用于MEMS微器件的关键技术.本文开展了金刚石微结构的制备实验研究,利用在硅微模具中沉积金刚石膜的方法成功制作了微细梁、微圆柱、十字结构、文字图形等一系列金刚石微结构.Raman、SEM、ADE等多种理化分析结果表明采用这种模型复制工艺能够获得表面质量好、图形复杂、形状和尺寸精度很高的金刚石微结构,并能够实现批量制造,是制作金刚石微器件的理想方法.     

金刚石微铣刀头图形化法的制备研究

微细铣削加工技术是具有较高相对精度的精密三维微小零件的制造技术,微零件尺寸和精度在很大程度上依赖于微切削刀具的切削性能.CVD金刚石膜作为一种具有众多卓越特性的功能材料,是制造新型超硬微铣刀的优越刀具材料.本文开展了硅微模具图形化法沉积金刚石膜微铣刀头的实验研究,成功制作了特征尺寸为25 μm、50 μm和100 μm双层金刚石微铣刀头.SEM,ADE等分析结果表明采用的工艺能够获得表面质量好、形状和尺寸精度很高的金刚石微铣刀头,该工艺能够实现批量制造,是制作金刚石微铣刀的理想方法.     

微/纳米金刚石复合涂层刀具的制备及切削试验

利用化学气相沉积法在硬质合金基体上制备微/纳米金刚石复合涂层,采用扫描电镜、Raman光谱仪、洛氏硬度计、微粒喷浆试验仪对涂层进行微结构与性能表征,同时进行切削试验.结果表明:涂层表面晶粒细小,颗粒尺寸达到纳米级,涂层纯度高,膜/基结合力好,耐磨性高.切削试验结果显示:微/纳米金刚石复合涂层刀具切削加工工件的表面粗糙度比硬质合金刀具小,其表面粗糙度平均值为0.931μm;从后刀面磨损量结果看出微/纳米金刚石复合涂层刀具使用寿命长;从前、后刀面磨损形貌看出金刚石复合涂层结合力好,耐磨性高.     

微纳米复合金刚石自支撑膜的制备及微观结构的研究

在30 kW级直流电弧等离子喷射化学气相沉积装置下,采用Ar-H2-CH4混合气体,通过控制工艺参数,在多晶钼衬底上制备了微纳米复合多层金刚石自支撑膜.采用拉曼光谱对其进行成份分析、SEM观察膜体表面形貌,采用聚焦离子束(FIB)技术对其进行原位刻蚀,用高分辨电镜观察对其进行微观表征.结果显示,同普通微米膜相比,多层膜体是由微米晶金刚石层和纳米晶金刚石层组成,表面光滑,微米层与纳米层间具有相互嵌套式的界面,微/纳米复合多层金刚石自支撑膜中包含有纳米级金刚石晶粒、微米级金刚石晶粒和无定形碳.     

纳米金刚石膜——一种新的具有广阔应用前景的CVD金刚石

以氢气为主要反应气体生长的CVD金刚石膜的晶粒尺寸过大限制了它在某些领域的进一步应用.当晶粒组成降到纳米级时,金刚石膜会表现出许多优异的性能,具有广阔的应用前景.与通常的CVD法生长金刚石的工艺不同,氩气在纳米金刚石的生长过程中发挥着重要作用.纳米金刚石的鉴定和评价是纳米金刚石研究中的重要部分.     

人造金刚石的微观结构模型

将静态超高压高温合成的人造金刚石晶粒利用RTO包埋法制备成适合TEM观察的样品,发现这些金刚石晶粒是由多根细长的纳米多晶棒沿一定取向规则地以捆束状堆叠、聚集而成,而这些纳米多晶棒之间填充了无定型碳.也就是说,人造金刚石晶粒是由结晶碳素和无定型碳组成的.由此,提出并绘制了人造金刚石晶粒的微观结构模型示意图,可用于解释人造金刚石的各向异性及其他宏观性能特征.在以上结论的基础上,笔者认为业界经常提及的“单晶”金刚石称谓可能并不严谨,可能并不是纯粹由结晶金刚石材料组成.