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    摘要：CVD和PVD TiN，TiC，TiCN，TiAlN等硬質(zhì)薄膜涂層材料已經(jīng)在工具、模具、裝飾等行業(yè)得到日益廣泛的應(yīng)用，但仍然不能滿足許多難加工材料，如高硅鋁合金，各種有色金屬及其合金，工程塑料，非金屬材料，陶瓷，復(fù)合材料(特別是金屬基和陶瓷基復(fù)合材料)等加工要求。正是這種客觀需求導(dǎo)致了諸如金剛石膜、立方氮化硼(c-BN)和碳氮膜(CNx)以及納米復(fù)合膜等新型超硬薄膜材料的研究進(jìn)展。本文對這些超硬材料薄膜的研究現(xiàn)狀及工業(yè)化應(yīng)用前景進(jìn)行了簡要的介紹和評述。    關(guān)鍵詞：超硬材料薄膜；研究進(jìn)展；工業(yè)化應(yīng)用  1  超硬薄膜    超硬薄膜是指維氏硬度在40GPa以上的硬質(zhì)薄膜。不久以前還只有金剛石膜和立方氮化硼(c-BN)薄膜能夠達(dá)到這個標(biāo)準(zhǔn)，前者的硬度為50-100GPa(與晶體取向有關(guān))，后者的硬度為50～80GPa。類金剛石膜(DLC)的硬度范圍視制備方法和工藝不同可在10GPa～60GPa的寬廣范圍內(nèi)變動。因此一些硬度很高的類金剛石膜(如采用真空磁過濾電弧離子鍍技術(shù)制備的類金剛石膜(也叫Ta：C))也可歸人超硬薄膜行列。近年來出現(xiàn)的碳氮膜(CNx)雖然沒有像Cohen等預(yù)測的晶態(tài)β-C3N4那樣超過金剛石的硬度，但已有的研究結(jié)果表明其硬度可達(dá)10GPa～50GPa，因此也歸人超硬薄膜一類。上述幾種超硬薄膜材料具有一個相同的特征，他們的禁帶寬度都很大，都具有優(yōu)秀的半導(dǎo)體性質(zhì)，因此也叫做寬禁帶半導(dǎo)體薄膜。SiC和GaN薄膜也是優(yōu)秀的寬禁帶半導(dǎo)體材料，但它們的硬度都低于40GPa，因此不屬于超硬薄膜。    最近出現(xiàn)的一類超硬薄膜材料與上述寬禁帶半導(dǎo)體薄膜完全不同，他們是由納米厚度的普通的硬質(zhì)薄膜組成的多層膜材料。盡管每一層薄膜的硬度都沒有達(dá)到超硬的標(biāo)準(zhǔn)，但由它們組成的納米復(fù)合多層膜卻顯示了超硬的特性。此外，由納米晶粒復(fù)合的TiN／SiNx薄膜的硬度竟然高達(dá)105GPa，創(chuàng)紀(jì)錄地達(dá)到了金剛石的硬度。    本文將就上述幾種超硬薄膜材料一一進(jìn)行簡略介紹，并對其工業(yè)化應(yīng)用前景進(jìn)行評述。2  金剛石膜2．1金剛石膜的性質(zhì)    金剛石膜從20世紀(jì)80年代初開始，一直受到世界各國的廣泛重視，并曾于20世紀(jì)80年代中葉至90年代末形成了一個全球范圍的研究熱潮(Diamond fever)。這是因為金剛石除具有無與倫比的高硬度和高彈性模量之外，還具有極其優(yōu)異的電學(xué)(電子學(xué))、光學(xué)、熱學(xué)、聲學(xué)、電化學(xué)性能(見表1)和極佳的化學(xué)穩(wěn)定性。大顆粒天然金剛石單晶(鉆石)在自然界中十分稀少，價格極其昂貴。而采用高溫高壓方法人工合成的工業(yè)金剛石大都是粒度較小的粉末狀的產(chǎn)品，只能用作磨料和工具(包括金剛石燒結(jié)體和聚晶金剛石(PCD)制品)。而采用化學(xué)氣相沉積(CVD)方法制備的金剛石膜則提供了利用金剛石所有優(yōu)異物理化學(xué)性能的可能性。經(jīng)過20余年的努力，化學(xué)氣相沉積金剛石膜已經(jīng)在幾乎所有的物理化學(xué)性質(zhì)方面和最高質(zhì)量的IIa型天然金剛石晶體(寶石級)相比美(見表1)?；瘜W(xué)氣相沉積金剛石膜的研究已經(jīng)進(jìn)人工業(yè)化應(yīng)用階段。    表 1 金剛石膜的性質(zhì)   CVD 金剛石膜 天然金剛石 點陣常數(shù) (Å) 3.567 3.567 密度 (g/cm3) 3.51 3.515 比熱 Cp(J/mol,(at 300K)) 6.195 6.195 彈性模量 (GPa) 910-1250 1220* 硬度 (GPa) 50-100 57-100* 縱波聲速 (m/s) 18200 摩擦系數(shù) 0.05-0.15 0.05-0.15 熱膨脹系數(shù) (×10 -6 ℃ -1) 2.0 1.1*** 熱導(dǎo)率 (W/cm.k) 21 22* 禁帶寬度 (eV) 5.45 5.45 電阻率 (Ω.cm) 1012-1016 1016 飽和電子速度 (×107cms-1) 2.7 2.7* 載流子遷移率 (cm2/Vs) 電子 1350-1500 2200** 空隙 480 1600* 擊穿場強(qiáng) (×105V/cm) 100 介電常數(shù) 5.6 5.5 光學(xué)吸收邊 (□ m) 0.22 折射率 (10.6 □ m) 2.34-2.42 2.42 光學(xué)透過范圍 從紫外直至遠(yuǎn)紅外 ( 雷達(dá)波 ) 從紫外直至遠(yuǎn)紅外 ( 雷達(dá)波 ) 微波介電損耗 (tan □) ＜ 0.0001             注:*在所有已知物質(zhì)中占第一,**在所有物質(zhì)中占第二,***與茵瓦(Invar)合金相當(dāng)。    (待續(xù))