CVD金刚石应用前景探讨

第21卷第4期

超　硬　材　料　工　程

V o l .212009年8月

SU PERHA RD M A T ER I AL EN G I N EER I N G

A ug .2009

CVD 金刚石应用前景探讨

①

谈耀麟

(桂林矿产地质研究,广西桂林　541004)

摘　要:阐述CVD 金刚石发展及其在工业金刚石中的重要地位。聚晶质和单晶质CVD 金刚石在切削工具、散热元件、耐磨零件、高强度复合线材以及检测器等方面已取得成功的应用,但有些问题仍待解决。对单晶质CVD 金刚石的突出性能及其在高科技应用的可能性与发展远景作了评述。关键词:CVD 金刚石;应用领域;高科技;发展远景

中图分类号:TQ 164 文献标识码:A 文章编号:1673-1433(2009)04-0049-05

D iscussion on the prospect for the appl ica tion s of CVD d i am ond

TAN Yao 2lin

(Gu ilin R esearch Institu te of Geology f or M ineral R esou rces ,Gu ilin 541004,Ch ina )

Abstract :T he developm en t of CVD diam ond and its i m po rtan t statu s in the indu strial dia 2m onds w ere described .Bo th po lycrystalline and single crystal CVD diam ond have its suc 2cessfu l app licati on s in cu tting too ls ,heat sp readers ,w ear 2resistan t parts ,detecto rs ,and h igh 2strength com p lex w ires etc ,bu t som e p rob lem s rem ain to be so lved .T he ou tstanding p rop erties of single crystal CVD diam ond and its po ten tial app licati on s in h igh 2tech as w ell as its developm en t p ro spects w ere discu ssed .

Keywords :CVD diam ond ;app licati on area ;h igh 2tech ;developm en t p ro sp ect

经济的发展动力在于工业,工业要提高生产率与

加工精度则和金刚石的应用密切相关。天然金刚石资源稀缺,显然满足不了需求,人造金刚石遂应运而生。在诸多工业加工领域中,金刚石已被公认为首选之超硬材料。选用天然金刚石抑或人造金刚石则取决于各自的突出优异性能与可论证的性价比。因此,在有些应用领域中,至今人造金刚石尚无法取代天然金刚石,而在另一些应用领域中人造金刚石则完全取代了天然金刚石。关键问题在于金刚石的粒度(块度)大小。迄今,以高温高压方法合成的人造金刚石的粒度尚不能满足工业特别是军事工程与高端科学技术发展之需。从技术上说,高温高压合成法有可能生产出

4～6mm 或以上的大块度人造金刚石,但从经济方面

说是不可取的。原因是工艺过程难控、周期长、再现率差、成本高。金刚石的最大特点就是其硬度,是公认的已知的最硬物质。就工业应用而言,金刚石的这一优点也恰恰是它的缺点,因为极难加工成所需之形状。众所周知,工业与科技应用的金刚石需要各种各样的形状。鉴于以上原因,作为世界上最大工业金刚石的研发机构与供应商,元素6公司于上世纪90年代初即改变研究重点,由大力研究高温高压合成大颗粒人造金刚石转向研发CVD 金刚石。因为CVD 金刚石的最大优点是可以沉积生长成大块度,可以具有所需的形状与特定的性能。为此,该公司一方面在英国设立了

①收稿日期:2009-03-10

作者简介:谈耀麟(1936-),男,高级工程师,长期从事超硬材料方面的科研和情报工作。

CVD金刚石研究中心,并相继建立了数个CVD金刚石专业生产厂,还在荷兰设立了销售中心;另一个方面则把部分高温高压合成人造金刚石的产能转移到中国等劳动力价格低廉的发展中国家。

美国是工业发达的大国,因此也是工业金刚石消耗的大国,然而它又是天然金刚石资源奇缺的国家。美国对工业金刚石的需求主要是制造业与建筑部门,尤其是国家高速公路网的建设与维修每年要耗用大量工业金刚石。而美国空间技术在军工部门对大块度工业金刚石的需求有增无减,常年重金购买与储备。从战略高度考虑,不掌控大块度工业金刚石将处于军备竞争与高端科技发展的被动地位。因此近年来美国一家研究机构一直在研发一种化学气相沉积法的技术,据称可使CVD金刚石的沉积生长速度高于微波等离子化学气相沉积法的生长速度,并认为CVD金刚石将在计算机技术中起重大作用,因为用金刚石制造的半导体的性能比硅半导体优越得多,运算速度可更快,而且允许的工作温度可以更高。

起初CVD金刚石在机械工业中主要是利用其硬度与耐磨性而用于制造切削工具,嗣后随着科学技术的发展,它的其它优异性能如热学性能、光学性能、电子学性能和电化学性能等逐渐被开发应用。目前元素6公司生产的CVD金刚石产品计有光学级、热学级、机械级、电化学级、单晶质金刚石片、电子级单晶质金刚石片和用户要求的特型等七大类。现将CVD金刚石的应用领域与发展前景论述如下。

1　切削工具

CVD金刚石用于切削有两种形式:聚晶质CVD 金刚石薄膜和单晶质CVD金刚石厚膜或片,可切割成不同形状。单晶质CVD金刚石切削工具主要用于加工强度高而质量轻的结构材料如金属基体复合材料(MM CS)等,存在问题是不能制成形状复杂的切削工具。聚晶质CVD金刚石薄膜常用作超硬覆层材料附着于切削工具刀头或刃部,如钻头、铰刀、扩孔器、尖底锪等来加工有色金属、塑料、复合材料(碳素纤维或玻璃纤维增强)等,与碳化钨硬合金刀具相比,切削速度更快,使用寿命更长、加工的光洁度更高。CVD金刚石薄膜还用于拉丝模芯,可拉制钨、钼、铝、铜、不锈钢等金属或合金的线材。

由于汽车制造业与航空航天工业的发展,高强度、高耐磨性的铝基轻合金的应用越来越广泛。采用CVD金刚石切削工具加工超低共熔体铝硅合金比用传统的碳化钨硬质合金刀具优越得多。目前用热丝极化学气相沉积工艺可以将聚晶质金刚石膜直接沉积在不同材质的基体上并在各种基体形状上获得高质量的金刚石附着层。微晶质金刚石沉积附着层具有较高的耐磨性和附着力;而纳微晶质金刚石沉积附着层则可制成较小的切削刃半径,而且与工件接触面的摩擦系数较小。纳微晶质金刚石存在大量晶界,裂纹不易扩展,所以破裂强度较高。应指出的是,作为基体的碳化钨硬合金的含钴量较低为好,以免影响金刚石膜之生长与附着。为此,用作基体的碳化钨硬合金需经过机械和化学预处理以去除表面层附近的钴并使表面均匀化。对于形状较复杂的切削工具如螺纹铣刀等,采用较高硬度和抗弯强度而含钴量中等的碳化钨硬合金作基体有可能克服目前形状复杂刀具表面上金刚石沉积层附着力不够大的问题[1]。

2　散热元件

CVD金刚石的导热率比铜高五倍,是制作散热片的极佳材料,其性能远优于传统材料。热学级CVD 金刚石膜制作大功率光电子器件和大功率半导体二极管激光器的热扩散元件已应用于光通讯和军事工程。目前用于激光二极管、大功率晶体管、大功率分立二极管等用的散热元件是用CVD金刚石膜经激光切割成25mm见方,并经磨光后厚度为0.2～1.0mm的薄片制成,具有很好的热扩散和热传导性。随着生产成本的降低还可广泛应用于热敏器件、发光二极管、射频功率晶体管以及小型微波集成电路等。核心技术在于导体化(金属化),使金刚石与金属元件很好接触,从而很快降低器件的温度,使它的性能更好更可靠、使用寿命更长[1]。

3　医疗器具

CVD金刚石用作外科手术刀具有十分锋利的刀刃,比传统的钢刀片锋利许多倍,可精确操控切割过程使伤口更快愈合。

利用CVD金刚石的特殊综合性能可以之制造人工股关节的杯形支承件。CVD金刚石制作的放射性剂量计已应用于医疗剂量控制。

在牙科治疗中使用超声波驱动的CVD金刚石针状磨头替代传统的高速金刚石牙钻可以更精确地磨掉龋齿的腐败部分而保留健康的牙齿结构,操作时噪音、振动、发热和压迫感显著降低,因而减少了牙病患者特别是儿童牙病患者的痛楚[3]。CVD金刚石牙科