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金刚石介绍
时间: 2015-10-10 来源: 未知 作者: 点击:
金刚石在自然界材料中具有特别优异的机械性能、热学性能、透光性、纵波声速、半导体性能及化学惰性，是一种全方位的不可替代的特殊多功能材料。用化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition 简称CVD)方法生长的金刚石膜具有与颗粒状天然金刚石和高压人造金刚石几乎完全相同的性能，但却克服了小颗粒状天然金刚石和高压人造金刚石尺寸大小的限制。材料学家一致认为只有这种连续性大尺寸块状材料，才能使得金刚石全部优异性能得到充分的发挥。金刚石膜的优异性能主要表现在以下几个方面：
机械性能： 金刚石在已知材料中硬度最高(维氏硬度可达10,400kg/mm2本站注：约合102GPa)、耐磨性最好且摩擦系数极低。CVD金刚石膜中不含任何粘结剂，其多晶结构又使其在各个方向具有几乎相同的硬度，且没有解理面，因此其综合机械性能兼具单晶金刚石和聚晶金刚石(PCD)的优点，而在一定程度上又克服了它们的不足，而且价格低廉。它不仅可代替天然金刚石、高压人造单晶金刚石和聚晶金刚石在机械领域应用而且大大拓宽了其应用范围：如制造各种适合拉制软硬丝的高性能拉丝模具；焊接型CVD金刚石工具(使用寿命超过PCD工具的1-3倍)；制作形状较为复杂的CVD金刚石涂层硬质合金刀具(使用寿命比涂层前提高10-50倍)；其低摩擦系数还可用于摩擦部件如轴承的耐磨涂层等。据国外专家统计，仅应用于超硬材料方面就可以开发、改造出二千多种新产品。
声学性能： 金刚石在所有材料中的传声速度最快，为18.2km/s。利用此性能不仅能制作频率响应超过5GHz的声表面波器件(这种最高频响声表面波器件在通信领域的应用极其广泛)而且还可制作频响达60kHz以上的超高保真扬声器及性能最优异的声传感器。
热学性能： 天然金刚石热导率达20W/cm.K, 为所有物质中最高者, 比SiC大4倍, 比Si大13倍, 比GaAs大43倍, 是Cu和Ag的4-5倍; 高纯CVD金刚石膜热导率已达到甚至超过天然金刚石热导率，而且其较大面积膜片状形态使之成为极为理想的电子器件大面积散热材料(又称为热沉)，而高绝缘性与低热膨胀系数，可作为大功率半导体器件、微波器件和大规模集成电路最好的热沉。CVD金刚石膜热沉的大量应用将引起电子工业的一场巨大变革。
光学性能： CVD金刚石膜在X射线—紫外光—可见光—红外光很宽的波长范围内都具有高透过性且能抗高温、抗腐蚀、机械强度大，因此可用作在恶劣环境中使用的光学窗口等。如各种光制导的高速拦截导弹头罩和应用极广的多色红外探测器窗口、红外焦平面阵列热成像装置窗口、高功率微波窗口、高功率激光窗口等；透X光特性可成为未来微电子器件制备的亚微米级光刻蚀技术的理想材料。优异光学性能和较低的价格使得CVD金刚石膜在军用和民用光学领域都有广泛的应用前景。
电学和半导体性能： 利用CVD金刚石膜优异的电学特性，可用于高温、高功率、高频率、强辐射环境中工作的电子器件及各种特性的传感器等。它的冷阴极发光特性，已有可能获得低功耗、高清晰、超薄、超大屏幕多种色彩的显示屏。其最有前途的高温半导体器件工作温度可达到600℃，金刚石高温半导体器件的问世，将是电子技术的一场革命。
化学性质： 室温时可耐所有酸、碱及溶剂，即使在高温时，也抗所有的酸腐蚀。可见，金刚石极其稳定，可用作抗腐蚀防护层。在医疗器械领域，由于金刚石手术刀极其锋利并和人体血液不相容，手术效果佳，病人康复快，CVD金刚石手术刀将代替目前使用的金属手术器械；CVD金刚石膜为纯碳元素组成且耐磨、耐腐蚀是植入人体内金属元件表面最好的涂层。
CVD金刚石膜在机械、热学、光学、声学、电子、航天等领域广泛应用将对这些领域产生革命性的影响。因此CVD金刚石膜材料被材料学家认为是二十一世纪材料，“金刚石膜时代已露出曙光”。
机械性能： 金刚石在已知材料中硬度最高(维氏硬度可达10,400kg/mm2本站注：约合102GPa)、耐磨性最好且摩擦系数极低。CVD金刚石膜中不含任何粘结剂，其多晶结构又使其在各个方向具有几乎相同的硬度，且没有解理面，因此其综合机械性能兼具单晶金刚石和聚晶金刚石(PCD)的优点，而在一定程度上又克服了它们的不足，而且价格低廉。它不仅可代替天然金刚石、高压人造单晶金刚石和聚晶金刚石在机械领域应用而且大大拓宽了其应用范围：如制造各种适合拉制软硬丝的高性能拉丝模具；焊接型CVD金刚石工具(使用寿命超过PCD工具的1-3倍)；制作形状较为复杂的CVD金刚石涂层硬质合金刀具(使用寿命比涂层前提高10-50倍)；其低摩擦系数还可用于摩擦部件如轴承的耐磨涂层等。据国外专家统计，仅应用于超硬材料方面就可以开发、改造出二千多种新产品。
声学性能： 金刚石在所有材料中的传声速度最快，为18.2km/s。利用此性能不仅能制作频率响应超过5GHz的声表面波器件(这种最高频响声表面波器件在通信领域的应用极其广泛)而且还可制作频响达60kHz以上的超高保真扬声器及性能最优异的声传感器。
热学性能： 天然金刚石热导率达20W/cm.K, 为所有物质中最高者, 比SiC大4倍, 比Si大13倍, 比GaAs大43倍, 是Cu和Ag的4-5倍; 高纯CVD金刚石膜热导率已达到甚至超过天然金刚石热导率，而且其较大面积膜片状形态使之成为极为理想的电子器件大面积散热材料(又称为热沉)，而高绝缘性与低热膨胀系数，可作为大功率半导体器件、微波器件和大规模集成电路最好的热沉。CVD金刚石膜热沉的大量应用将引起电子工业的一场巨大变革。
光学性能： CVD金刚石膜在X射线—紫外光—可见光—红外光很宽的波长范围内都具有高透过性且能抗高温、抗腐蚀、机械强度大，因此可用作在恶劣环境中使用的光学窗口等。如各种光制导的高速拦截导弹头罩和应用极广的多色红外探测器窗口、红外焦平面阵列热成像装置窗口、高功率微波窗口、高功率激光窗口等；透X光特性可成为未来微电子器件制备的亚微米级光刻蚀技术的理想材料。优异光学性能和较低的价格使得CVD金刚石膜在军用和民用光学领域都有广泛的应用前景。
电学和半导体性能： 利用CVD金刚石膜优异的电学特性，可用于高温、高功率、高频率、强辐射环境中工作的电子器件及各种特性的传感器等。它的冷阴极发光特性，已有可能获得低功耗、高清晰、超薄、超大屏幕多种色彩的显示屏。其最有前途的高温半导体器件工作温度可达到600℃，金刚石高温半导体器件的问世，将是电子技术的一场革命。
化学性质： 室温时可耐所有酸、碱及溶剂，即使在高温时，也抗所有的酸腐蚀。可见，金刚石极其稳定，可用作抗腐蚀防护层。在医疗器械领域，由于金刚石手术刀极其锋利并和人体血液不相容，手术效果佳，病人康复快，CVD金刚石手术刀将代替目前使用的金属手术器械；CVD金刚石膜为纯碳元素组成且耐磨、耐腐蚀是植入人体内金属元件表面最好的涂层。
CVD金刚石膜在机械、热学、光学、声学、电子、航天等领域广泛应用将对这些领域产生革命性的影响。因此CVD金刚石膜材料被材料学家认为是二十一世纪材料，“金刚石膜时代已露出曙光”。