книги / Материаловедение и технологии современных и перспективных материалов

Рис. 5.15. Структура углеродной пленки

Свойства пленок:

•плотность – 2,4–4,0 г/см3;

•прозрачность, твердость, световой показатель преломления,

•химическая стойкость как у природного алмаза;

•высокая теплопроводность (выше, чем у Cu и Ag);

•термическая стабильность на воздухе (до 600 °C).

Применение пленок:

•износоустойчивый инструмент – подшипники;

•оптические системы – линзы, очки;

•средства связи – излучающие элементы громкоговорителей, воспроизводящие звук с предельной частотой;

•элементы микросхем компьютеров; в качестве полупроводника алмазная пленка может заменить Si или Ge; пленки позволяют уменьшить размеры схемы и увеличить скорость работы.

Способы получения пленок

Газопламенный способ. Исходные вещества C2H2 + O2. Давление

р= 1 атм, без ограничительной камеры. Скорость роста пленки 100– 150 мкм/ч. Наносят на режущий инструмент из WC–Co.

Паровое осаждение:

PVD – физическое паровое осаждение, CVD – химическое паровое осаждение,

221

PACVD – химическое осаждение при участии паровой плазмы, MOCVD – металлоорганическое паровое осаждение из паровой

фазы,

PECVD – плазмохимическое осаждение.

Сущность паровых способов заключается в отрыве атомов водорода от молекул метана (CH4) или других углеводородов и образовании связей C–C при осаждении на поверхности. Контроль параметров процесса обеспечивает образование алмаза, а не графита. Основным компонентом является углеводород. Водород в этих процессах предотвращает образование двойных связей между атомами углерода. В результате углерод соединяется одинарными связями, необходимыми для образования алмазных кристаллов.

Плазменный способ. Применяется плазменный дуговой разряд. Температура t = 5000 °С. Скорость роста пленки 200–250 мкм/ч. Реакционный газ H2 + 1 % C2H5OH + Ar. Давление в камере 100–760 Торр. Подложка разогревается до 800–900 °С. Толщина получаемой пленки до 120 мкм. Наносят на TiC, Mo2C и другие карбиды.

Магнито-, микроволновое плазменное осаждение. Температура подложки 850 °С, что позволяет наносить пленки даже на некоторые пластмассы. Реакционный газ CH4 + H2. Давление р = 10…15 Торр. Скорость роста пленки 1,6 мкм/ч.

5.5.Нитрид углерода

В1989 г. Liu и Cohen рассчитали возможность существования

нитрида углерода (C3N4). C3N4 имеет в структуре одинарные, двойные, тройные ковалентные связи, модификации его представлены

втабл. 5.3, на рис. 5.16.

Методы получения β-C3N4. Исходные вещества: графит, аморфный углерод, C60 и криогенный азот.

Способы: ионно-лучевое осаждение; импульсная лазерная абляция; ионное и вакуумное осаждение; магнетронное осаждение; плазменное разложение CH4, N2.

222

Таблица 5.3

Структуры нитрида углерода

Рис. 5.16. Кристаллические решетки ромбоэдрического (а), кубического (б) и гексагонального (в) нитрида углерода

223

Наличие sp2-гибридизации с короткими связями дает основание предположить возможность синтеза нанотрубок состава BxCyNz, которые будут служить новыми формами тонких покрытий или армирующих систем. Уже получены нанотрубки BN, BC2N, BC3.

5.6. Нитрид бора

Среди СТМ нитрид бора обладает наиболее высокой твердостью, зависящей от энергии межатомных связей (рис. 5.17).

Рис. 5.17. Зависимость микротвердости от энергии межатомной связи для СТМ

Нитрид бора существует в нескольких модификациях (рис. 5.18).

1.Гексагональная структура. Состоит из двух ГПУ решеток элементов А и В, вставленных друг в друга, образуются слоистые структуры из гексагональных колец (ВN, графит).

2.Решетка вюрцита. Состоит из двух гексагональных плотноупакованных решеток элементов А и В, вставленных друг в друга и сдвинутых вдоль вертикальной оси (ВN, AlN).

224

3.Решетка сфалерита (BN, BP, AlP, SiC). Построена из правильных тетраэдров, в которых атомы одного элемента связаны с четырьмя атомами другого элемента. Два соседних тетраэдра ориентированы так, что базисные треугольники повернуты друг относительно друга на 60° (две вставленные друг в друга ГЦК решетки).

4.Соединения внедрения (Ме4Х,

Свойства синтезированного нитрида бора зависят от способа его получения (табл. 5.5, рис. 5.19).

226

Рис. 5.19. Стойкость резцов, оснащенных материалами на основе КНБ при различных скоростях резания: 1, 4 – БПК; 2 – BZN Compacts («Дженерал электрик», США); 3 – BN 200 («Сумитомо электрик», Япония); 5 – амборит

5.7. Алмазный и абразивный инструмент

Инструмент делится на два вида:

1.Режущий элемент из СТМ (один или несколько), закрепленный в оправке – буровые коронки, карандаши, резцы. Режущий элемент прикрепляется методом пайки, накатки, чеканки, опрессовки или завальцовки.

2.Композиционный – режущий, шлифовальный (рис. 5.20). Структура композиционного инструмента сложнее (рис. 5.21)

исодержит несколько фаз, выполняющих определенные функции, приведенные в табл. 5.6.

227

Рис. 5.20. Режущий инструмент с закреплением кристалла СТМ в оправке

Рис. 5.21. Структура алмазного интсрумента

Окончание табл. 5.6

Относительная износостойкость композиционного материала (КМ) с одинаковой концентрацией СТМ зависит от твердости зерен СТМ (табл. 5.7).

Методы изготовления композиционных материалов многочисленны (рис. 5.22).

229

Рис. 5.22. Методы изготовления алмазного композиционного инструмента

Рассмотрим преимущества и недостатки наиболее распространенных видов алмазного инструмента (АИ): изготовленного с использованием гальванического нанесения алмазного покрытия, методом порошковой металлургии и спекания алмазных частиц.

К достоинствам гальванического алмазного инструмента (рис. 5.23) следует отнести: