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科普时间:微米级与纳米级金刚石薄膜的特性与区别

金刚石薄膜以其优异特性已被广泛应用于多个行业领域

金刚石薄膜具有超硬、耐磨、高绝缘、高导热率、摩擦系数低、膜层均匀、致密度高、耐腐蚀和附着力高等特点,对材质的光学特性基本不产生影响的优点。

1.高硬度,国内国际的多项测定表明,纳米压入仪测定的硬度达到80GPa(HV8000),经由纳米金刚石镀膜的工具及产品,硬度远远大于未经镀膜的;

2.镀膜与基体的结合度极高,不会产生镀膜层脱落;

3.摩擦系数低至0.092-0.105(对金属钢);

4.耐磨性能急速提高。许多材料经镀膜后,耐磨性可提升100倍以上;

5.耐腐蚀性更好,纳米金刚石涂层具有化学惰性,例如,覆有100纳米金刚石涂层的电镀件,可经受300小时的盐雾试验,不出现腐蚀变异。

基于金刚石诸多优异的力、热、光、电等性质,优良的化学惰性,以及很好的热稳定性等,金刚石涂覆的工具在机械、光学、电子学及声学等领域都有着广阔的应用前景。

经过20 多年的研究,金刚石薄膜在机械加工领域已经获得成功应用,尤其是在切削领域,如使用金刚石薄膜后的刀具可显著延长使用寿命。随着光学玻璃抛光工艺不断向前发展,对抛光材料的选取有了新的要求,因而金刚石薄膜又被逐渐应用于精细抛光等领域,最早被应用于金属上。

微米级纳米级金刚石薄膜制备各自的特性和区别

不过,金刚石薄膜制备也分微米级和纳米级,很多客户对这一概念相当模糊。这一问题下面就我们用一组图表来说明,微米级与纳米级金刚石薄膜的各自的特性与区别——


neoDiamTM金刚石薄膜特性

性能

微米级(MCD)

纳米级(NCD)

金刚石纯度(%)

高于99%

高于90%

晶粒尺寸

当涂层厚度为100nm,晶粒达到40nm,随着涂层厚度增加到3μm时,晶粒可达500nm

30-50nm(与膜厚无关)

粗糙度(Ra)

当涂层厚度为100nm,晶粒达到20nm,随着涂层厚度增加到3μm市,晶粒可达80nm

10-30nm(与膜厚无关)

硬度(GPa)

100-110

80-85

双轴杨氏模量

1250

600-800

波森比

0.2

-

在Si基材上残留应力

-300

-100

密度(g/cm3)

3.45

3.30

在300K上的导热性(W/m-1.K-1

3.45

3.30

高掺杂薄膜电阻率(硼8000ppm)

3

高于30


1.jpg

备注:SEM图像(x30000)金刚石显微结构:左边=微米级,右边=纳米级


由图可以看出,微米金刚石薄膜晶粒具有明显的择优取向,晶粒堆积在一起导致薄膜表面出现许多突出的棱角,因而薄膜表面较为粗糙;而纳米金刚石薄膜晶粒得到细化,无明显的择优取向,由这些微米级的小块形成金刚石膜的表面,因而表面更加平坦。PerformCoat提供不同类型的金刚石涂层以及合适的预处理工艺,提供高质量的金刚石涂层工具。硬质合金金刚石涂层由多晶金刚石涂层组成,这些多晶金刚石的微米结构取决于有针对性的应用程序。

金刚石薄膜微米与纳米级呈现出的不同微观结构,使得其擅长加工的材料也大有区别——PerformCoat MCD(微米级)适合加工诸如石墨、陶瓷等研磨材料等;而PerformCoat NCD(纳米级)更适于加工碳纤维,铝硅合金等


PerformCoat涂层数据

硬度

10’000 HV

厚度

0.3 ~ 12mm (通常为 6mm)

微米结构

纳米级,微米级,定制

使用温度

空气中不超过600℃

coating_service_13.png


涂层刀具规格

类型

钻头,铣刀,刀片

直径

0.3~20mm

整体刀具长度

最长可达100mm(反应堆合适有可能更长)

刀具涂层长度

≤30mm

典型硬质合金牌号

6~10%的CO含量(可根据要求提供适合WC等级清单)

3.jpg

下面来一组实例对比——

刀具:8mm金刚石涂层钻头

加工材料:碳纤维叠层(飞机)

涂层类型

径向(um)

孔数

未涂层

3

80

CVD diamond (A公司)

600

250

CVD diamond (B公司)

100

325

CVD diamond (C公司)

50

600

PerformCoatPerformCoat公司微米级涂层)

10

550

来自工具生产商的数据资料显示,相同的使用寿命PerformCoat涂层比市场上最好的供应商提供的还要好,且拥有显著的低投资收益率。