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CVD金刚石应用前景探讨

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:TQ164 文献标识码:A 文章编号:1673-1433(2009)04-0049-05

DiscussionontheprospectfortheapplicationsofCVDdiamond

TANYao2lin(GuilinResearchInstituteofGeologyforMineralResources,Guilin541004,China)

Abstract:ThedevelopmentofCVDdiamondanditsimportantstatusintheindustrialdia2

mondsweredescribed.BothpolycrystallineandsinglecrystalCVDdiamondhaveitssuc2

cessfulapplicationsincuttingtools,heatspreaders,wear2resistantparts,detectors,and

high2strengthcomplexwiresetc,butsomeproblemsremaintobesolved.Theoutstanding

propertiesofsinglecrystalCVDdiamondanditspotentialapplicationsinhigh2techaswell

asitsdevelopmentprospectswerediscussed.

Keywords:CVDdiamond;applicationarea;high2tech;developmentprospect

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

4①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。

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(MMCS)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

CVD金刚石在癌症治疗中也有许多应用,如制

作离子射束检测器等。离子射束对人体细胞组织可产

生特殊的物理和生物作用,因而可有针对性地摧毁某

些癌细胞而保留健康的细胞组织。此外,在癌症治疗

之前也需用CVD金刚石制作的检测器来检测辐射束

的断面大小和确定辐射的绝对剂量。前者应用的是聚

晶质CVD金刚石,后者则是单晶质CVD金刚石[4]。

4　光学器件

CVD金刚石的纯度高具有很好的透光性。光学

级CVD金刚石膜在紫外线到红外线的长波范围内有

很高的光谱通过性能,加之优良的热学性能、机械性

能,并结合其低漫射性,在光学领域中有着重要而广

阔的应用,是极好的光学窗口材料,可在恶劣环境中

使用,例如用作紫外光、红外光、大功率CO2激光出射

窗口、大功率微波窗口等。半球形CVD金刚石窗口在

军事工程上有很重要的应用,如高速导弹的头罩和机

载红外热成像装置的窗口等。传统的红外光窗口用

ZnS、ZnSe或Ga制造,由于性脆易坏而采用CVD金

刚石薄膜强化,但CVD金刚石薄膜是聚晶质的,而且

表面光滑度不够高,可使红外线信号产生衰减和散射

从而降低析像能力。因此,目前已趋向于采用单晶质

CVD金刚石厚膜(片)来制作红外光窗口。此外还用作单色光镜、分光镜等。

在无线电远程通信中用的喇曼激光器一直是采

用硅等材料制作。目前采用CVD金刚石制成的喇曼

激光器是一种新型的固态激光器,在水下成像、内科

成像、眼科学、癌症治疗以及多光谱成像等方面将开

创新的应用领域。用CVD金刚石作固态激光器可以

使其结构小而紧凑,具有更大的功率操作能力,并可

用目前无法利用的波长工作,因此具有广阔的应用前

景。特别是元素6公司研制的超低重析率单晶质CVD金刚石为金刚石在光电子学上尤其是在激光器上的

应用迈出了坚实的一步[5]。

5　声学器件

特殊的穹面形CVD金刚石结合其极好的刚性和

相对较轻的质量是制造高保真灵敏度的高频扬声器

的理想材料。此种产品已于2004年面市。CVD金刚

石在声学上的进一步应用尚有待研究开发。6　耐磨零件

利用CVD金刚石的高硬度高耐磨性结合其很好

的抗拉强度和断裂韧性可镀覆在有色金属、塑料和复

合材料等表面上制作耐磨零件,目前已成功应用于高

压水喷射切割装置和电化学仪器。不过对黑色金属而

言。目前尚不适合使用这种CVD金刚石耐磨保护层。

因为在摩擦发热的情况下,金刚石保护层与黑色金属

会起反应而分解。

7　高强度复合线材

用化学气相沉积法将金刚石沉积生长附着在有

色金属线材或者非金属纤维外表面可制成高强度复

合线材。这种复合线材质量轻但强度大,可作为增强

纤维制成金属基体复合材料,用于承载结构可具有强

度大、刚性好、质量轻等特点,在航空航天工业和高端

科技上应用前景无限广阔。

8　检测器

由于CVD金刚石具有射束安全性、快速反应性

和无热改噪音性的特点,所以是制作检测器的重要材

料。利用CVD金刚石的某些特殊性能如防辐射性等。

还可用作粒子物理检测器和热核等离子聚变能研究

中电子回旋加速器加热装置的毫米波真空边冷式窗

口材料。实际上在上世纪20年代一直是用天然金刚

石制作紫外线检测器,只是近年研制出高强度单晶质

CVD金刚石之后,制作的检测器性能才具有更高的灵敏度、很好的空间与瞬时分辨能力,以及低的泄电

流和电容,使器件结构简单、耐高温、使用寿命长而应

用于高能物理、原子能监测、放射疗法、剂量测定以及

掺硼金刚石生物󰃗化学感受器等[6]。为此元素6公司

旗下设立了金刚石检测器公司从事金刚石表面处理

(再加工)等研究工作以及研制各种检测器。在德国,目前正在建造的反质子与离子研究设施

作为深入研究宇宙演化的一部分,已用于研究物质的

性能。在该设施中CVD金刚石将应用于各种信号传

感与检测技术。在大量科学实验中收集与阐明试验数

据均需要先进的检测技术和强大的数据处理能力,而

传统的检测器性能已无法满足要求。为此,德国重离

子研究所正与金刚石检测器公司合作研发用金刚石

制造的新型检测器用于各种射束󰃗聚束监测、射束断

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