几种新型超硬薄膜的研究进展

超硬材料主要由Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ族共价键化合物（碳化物,氮化物）和单质（金刚石）组成,硬度高于40GPa,有单晶,多晶,非晶等多种,除金刚石外,这些材料都是人工合成的,没有天然对应物,除超硬性质以外,这些材料大都具有宽带隙,高温稳定性,化学惰性等优良的物理化学性质,新型超硬薄膜材料研究从金刚石开始,目前主要的研究对象有金刚石,类金刚石碳（DLC）,立方氮化硼（cBN),氮化碳（C3N4,CNx),硼碳氮（BCN）等,是近二十年来材料研究的热门方向之一,文章结合作者近年来的工作,介绍这几种超硬薄膜的研究进展和展望。     

纳米孪晶超硬材料的高压合成

超硬材料研究有两个重要难题一直备受关注:一是建立晶体宏观性能硬度与微观电子结构参数的定量关联,指导新型超硬晶体的设计;二是发现改进超硬材料综合性能(硬度、韧性和稳定性)的基本原理和技术途径,合成出综合性能更加优异的高性能超硬材料.首先从同时联系晶体硬度和电子结构的化学键出发,提出了共价晶体的压痕硬度为晶体中化学键对压头压入过程的综合阻抗的基本假设,建立了共价晶体硬度的微观模型并推广至多晶共价材料.在多晶硬度模型指导下,在高温高压条件下成功地合成出了纳米孪晶结构的立方氮化硼和金刚石块材,实现了硬度、韧性及热稳定性这三大工具材料性能指标的同时提高.另外,澄清了关于压痕硬度测量的长期争论.本文的研究为研发高性能超硬材料打开了一条新的技术途径,有望带来机械加工业和高压科学领域的新变革.     

立方氮化硅的冲击波合成实验

氮化硅在常态下的两种已知物相（α和β相）均为六方结构，最近新发现第3种具有立方尖晶石结构的氮化硅（以下称立方氮化硅或γ-Si3N4）可通过高温高压条件合成得到，是继金刚石、立方氮化硼之后的又一种超硬材料。各国学者在合成立方氮化硅的研究中开展了积极的工作，然而，目前所用的技术手段仅能合成出极少量的γ-Si3N4粉体样品，无法进一步开展其块体材料的研究，并制约了该新材料在工业技术中的应用。     

纳米结构超硬材料的机遇与挑战

经过几十年的研究和发展，纳米结构金刚石和立方氮化硼已相继被成功制备，其高硬度和强韧性充分表明纳米力学增强机制是制备超强超硬材料的有效途径。目前纳米结构超硬材料的研究仍处于起步阶段，高温高压相转变的路径与机制、复杂中间相的结构与产生的条件、热力学条件对晶粒生长和微结构(孪晶和堆垛层错等)形成的作用，以及超硬材料的纳米结构对力学性能和强化机制的影响等尚未完全揭示出来。为此，文章对近年来在相关领域的研究进行综述，总结了设计与寻找超硬材料的一般策略与原则，概括了典型的纳米微结构对超硬材料力学与热稳定性的影响，归纳了纳米结构超硬材料的高温高压相变与转化机制，并对当前的研究进展和潜在应用进行了归纳与展望。     

超硬立方BC2N材料与金刚石的比较

摘要最近有实验称成功合成超硬立方BC2N材料，其硬度仅次于金刚石．文章采用第一性原理计算方法，研究立方BC2N晶体材料的理想强度．计算结果显示，虽然立方BC2N晶体具有很大的弹性系数，但材料中化学成分的各向异性和原子键特性随外加应力变化的非线性性质限制了立方BC2N晶体的强度．最硬的立方BC2N晶体结构的硬度应低于立方BN，后者为目前已知的第二硬材料．实验中观测到的立方BC2N材料的超硬特性应源自材料中的纳米颗粒效应．制备立方BC2N纳米复合材料将是合成新型超硬材料的新方法．     

立方氮化硼的静压合成及多晶烧结

无产阶级文化大革命的伟大胜 利和批林批孔运动的大好形势,推 动着我国机械工业的迅速发展.各 种新材料、新钢种不断涌现,原有各种高速钢、硬质合金甚至金刚石都已难于适应某些机械加工的要求,形势迫使我们去研制其它新型加工材料.立方氮化硼就是一种良好的新型机械加工工具材料. 遵循毛主席关于“自力更生,奋发图强”的教导,国营新都机械厂人造金刚石小组、四川大学物理系固体物理专业超硬材料研制组、成都工具研究所立方氮化硼小组的工人、干部、科学技术人员和教员,充分发挥社会主义制度的优越性,在四川省科委领导下,组成了“三结合”的…     

亚微米级聚晶金刚石的高温高压合成

聚晶金刚石作为超硬材料具有很广泛的应用,常用于油气钻探、切削刀具、耐磨零件等领域。目前,工业上合成聚晶金刚石的内部晶粒尺寸一般都在微米量级以上,而合成微米级以下的聚晶金刚石则要面临很多困难。本工作使用熔渗法在高温高压的条件下合成了亚微米级聚晶金刚石,并对合成的样品进行了X射线衍射、扫描电子显微镜、电子背散射衍射、能谱、硬度等分析测试,结果表明:在5.5GPa、1 500℃、保温15min的情况下成功合成了维氏硬度高达57.0GPa的亚微米级聚晶金刚石;分层组装的方法可以使Co均匀地分散在聚晶金刚石样品中,呈现出圆孔状,从而保证样品具备均匀、优异的性能。同时,通过对烧结工艺的探索发现,温度和保温时间在亚微米级聚晶金刚石的合成过程中起着非常重要的作用。     

超高压物理实验技术虚拟仿真实验设计与实现

为解决传统高压物理实验教学中设备投入高、数量不足、实验空间受限等问题,自主开发了超高压物理实验技术虚拟仿真实验。该实验以超硬材料立方氮化硼的合成与分析过程为主线,划分为原料称量及预处理、六面顶压机高温高压合成样品及样品性能测试分析3个实验任务,实验操作允许学生在一定范围内自主设置实验参数、合成条件,通过不断仿真练习,形成对实验工艺流程、仪器设备操作的正确认识和超硬材料合成原理的深度理解,提升学生自主学习、探究问题、解决问题的能力。     

宽带隙薄膜材料场电子发射研究的背景、现状和问题

介绍了以金刚石为代表的宽带隙薄膜材料场电子发射研究背景和现状,对金刚石、类金刚石（ＤＬＣ）、立方氮化硼（ｃ－ＢＮ）、氮化铝（Ａ１Ｎ）和碳化硅（ＳｉＣ）薄膜场电子发射研究的进展进行了评述,着重介绍了发射性能与薄膜的结构特征、杂质含量和处理方法间的关系,并讨论了研究中存在的问题。     

等离子体化学气相沉积及其在沉积超硬膜方面的应用

本文简要介绍了等离子体化学气相沉积的基本原理和几种主要类型的工艺特点，着重介绍了等离子体化学气相沉积在沉积超硬膜方面的新进展，主要包括制备氮化钛类薄膜、立方氮化硼薄膜、类金刚石薄膜及金刚石薄膜。     

立方氮化硼薄膜的最新研究进展

立方氮化硼(cBN)作为一种在自然界中并不存在的人造材料具有优异的理化特性. 在超硬刀具、高温电子器件和光学保护膜等领域有着广泛的应用前景,已经成为材料科学的研究热点之一. 但是气相生长高质量cBN薄膜仍然还有许多难点需要攻克. 在综述近几年cBN薄膜研究所取得的一些突破性进展后,结合研究现状提出今后可能的主要研究方向. 关键词： 立方氮化硼薄膜 压缩应力 异质外延 掺杂     

纳米结构B4C的合成及其性质的研究

B_4C是继金刚石和立方氮化硼之后自然界中第三硬的超硬材料。然而人们在硬度方面对它的应用却很少。这主要是因为B_4C的自扩散系数很低,很难合成出块体材料的B_4C;其次,B_4C的断裂韧性很低,达不到工业应用的标准,在工业应用中容易出现碎裂。本篇文章利用高温高压法合成了块体材料的B_4C,并且合成的材料具有非常高的致密性。通过硬度测试发现其硬度高于材料的单晶硬度值。利用压痕法测量了样品的断裂韧性,其断裂韧性为4.51 MPa·m~(1/2),这一数值基本接近了工业应用的标准。通过扫面电镜测试发现其具有纳米层状结构。通过原理分析可知,纳米片层结构是导致B_4C具有高硬度和高断裂韧性的原因。     

立方氮化硼单晶-金刚石薄膜异质p-n结

 在Si中掺杂N型片状立方氮化硼单晶的(111)面上,利用热灯丝化学气相沉积方法生长了掺B的p型金刚石薄膜,从而制得了立方氮化硼单晶-金刚石薄膜异质p-n结,测试了该p-n结的V-A特性,结果表明其整流特性良好。     

Ca3B2N4-hBN系中立方氮化硼的膜生长机制

 以Ca₃B₂N₄为触媒,在高温高压下对六角氮化硼进行处理,在六角氮化硼与触媒的交界处得到了被金属膜包覆的立方氮化硼晶体。这表明六角氮化硼到立方氮化硼的转变与人造金刚石的膜生长机制类似：立方氮化硼晶体在触媒与六角氮化硼接触处择优成核,在生长着的立方氮化硼与六角氮化硼之间存在着金属薄膜,该膜对立方氮化硼“基元”有输运作用。随着该金属膜向六角氮化硼区的推进,在其后留下生长的立方氮化硼晶体。     

新型金刚石科学与技术国际学术会议在东京召开

1988年10月24-26日在日本东京举行了第一届新型会刚石科学与技术国际学术会议.这次会议是日本新型金刚石论坛(JNDF)举办的.出席会议的有20多个国家的360多位有关人员,会议论文共105篇. 听谓新型金刚石是指先作为功能材料应用的金刚石、硬质碳膜和立方氮化硼.其应用范围包括切削刀具,耐磨和润滑部件,散热片,半导体材料,以及光学、声学、医学应用等. 大会的议题分为:(1)气相沉积;(2)电学和热学性质及其功能应用;(3)高压合成;(4)机械加工和力学性质;(5)物理化学性质和地球科学. 尽管会议有以上几个方面的内容,但化学气相沉积(CVD)生长金刚石…     

高质量宽带隙立方氮化硼薄膜的研究进展

文章着重介绍了最近研制出的高质量宽带隙立方氮化硼薄膜的三种制备方法和结构特性 :(1)用射频溅射法在Si衬底上制备出立方相含量在 90 %以上 ,Eg>6 .0eV的c-BN薄膜 ;(2 )用离子束辅助的化学气相沉积法(CVD) ,在金刚石上外延生长出立方含量达 10 0 %的单晶c -BN薄膜 ;(3)用微波电子回旋共振CVD法 (MW -ECR-CVD)在金刚石上外延生长出高纯c-BN薄膜 .这些高纯c -BN薄膜 ,可应用于制作各种半导体 (主要是高温、高频大功率 )电子器件 .     

含氢添加剂对合成cBN的影响及腔体温度分布

 通过对Li基触媒下立方氮化硼的高温高压合成实验结果的分析,研究了在Li基触媒作为主要触媒及氢化物作为添加剂的环境下,立方氮化硼的生长情况。同时由合成后样品中立方氮化硼的生成区域对V型生长区温度梯度分布进行了分析讨论。     

高压合成立方氮化硼用的新触媒材料的研究

 本文研究了合成立方氮化硼用新触媒材料Mg₃B₂N₄及Ca₃B₂N₄的制备方法，并对它们的稳定性及其催化作用进行了讨论。氮化硼原料的结晶状态及合成温度、合成时间、气流量等对新触媒的合成有着重要的影响。本文还在高温高压下利用新触媒进行了立方氮化硼的合成实验，结果表明，与碱土金属触媒相比新触媒具有合成压力低、转化率高、合成温度和压力范围宽、产物杂志含量低、破碎强度高等优点，是一种应用前景很大的触媒材料。     

高温高压下立方氮化硼和六方氮化硼的结构、力学、热力学、电学以及光学性质的第一性原理研究

本文采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势和局域密度近似方法,优化了立方和六方氮化硼的几何结构,系统地研究了零温高压下立方和六方氮化硼的几何结构、力学、电学以及光学性质.结构与力学性质研究表明:立方氮化硼的结构更加稳定,两种结构的氮化硼均表现出一定的脆性,而六方氮化硼的热稳定性则相对较差;电学性质研究表明:立方氮化硼和六方氮化硼均为间接带隙半导体,且立方氮化硼比六方氮化硼局域性更强;光学性质结果显示:立方氮化硼和六方氮化硼对入射光的通过性都很好,在高能区立方氮化硼对入射光的表现更加敏感.此外,还研究了高温高压下立方氮化硼的热力学性质,并得到其热膨胀系数、热容、德拜温度和格林艾森系数随温度和压力的变化关系.本文的理论研究阐述了高压下立方氮化硼和六方氮化硼的相关性质,为今后的实验研究提供了比较可靠的理论依据.     

金刚石-碳化硅超硬复合材料的冲击强度

不同于延性介质,脆性介质的失效破坏严重制约着材料的强度.本文采用一种定量描述脆性介质力学性质的格点-弹簧模型,研究了金刚石-碳化硅超硬复合材料的冲击强度及其细观损伤机理,有助于避免灾变破坏、提高冲击强度.在模型中,通过构建不同体积分数比的金刚石和碳化硅两相复合材料,模拟获得了经受冲击波压缩形变后的宏观波剖面,显示出随着金刚石颗粒含量增加,冲击强度逐渐增大,而后减小;对应于这种变化,损伤演化分析揭示出存在三种细观损伤模式,当金刚石颗粒含量在10%—50%范围内增加时,长距离扩展滑移带占主导;当金刚石颗粒含量为70%时,滑移带已由长距离扩展演化为短细滑移带,损伤主要来自于碳化硅基体,多数金刚石颗粒未发生损伤;当金刚石颗粒含量超过70%的临界值后,短细滑移带也将被强烈限制,应力集中致使金刚石颗粒被严重损伤,冲击强度下降.研究结果为优化设计金刚石-碳化硅超硬复合材料以及制备新型抗冲击材料提供了物理认知.