金刚石(C) -性质和应用

传统上，陶瓷被归类为粘土基材料。欧洲杯足球竞彩然而，随着陶瓷领域的扩大，它们可以被定义为在加工或使用过程中经过热处理的无机非金属材料。欧洲杯足球竞彩它们往往是脆的，硬的和惰性的，并有离子或共价键。钻石符合所有这些标准。

金刚石是碳的一种形式，结晶成立方结构，每个碳原子与其他四个原子通过一种强而刚性的化学键相连。

直到20世纪50年代，钻石的数量相对较少，价格也相当高，这个词创造了一种灿烂宝石和财富的形象。各种有价值的属性推动了人造钻石生产路线的发展，从而产生了新的产品和应用。

来源

钻石现在可以从几个来源找到:

• 天然钻石;每年大约开采20吨钻石。一半是宝石质量，一半是工业质量。
• 合成单晶金刚石;每年大约有90吨钻石是通过高压和高温(HPHT)方法生产的。大多数工业金刚石是在4.5至6.0 GPa的压力和1400至1600°C的温度下，借助于熔融过渡金属催化剂由石墨制成的。这些钻石比天然钻石便宜得多。
• 多晶金刚石通常是通过使用金属作为粘合剂将金刚石颗粒粘合在一起或使用碳化硼作为烧结助剂烧结而形成的。
• 气相沉积。化学气相沉积(CVD)和物理气相沉积(PVD)都能产生金刚石薄膜。每年大约生产10吨气相金刚石薄膜。它们的价格是天然钻石的四倍多。然而，它们的应用在经济上是合理的，因为它们以薄膜形式使用，并对组件性能有显著的不同。

关键属性

金刚石提供了令人印象深刻的化学、物理和机械性能的组合:

• 已知最坚硬的物质
• 低摩擦系数
• 高导热系数
• 高电阻率
• 低热膨胀系数
• 高强度
• 从紫外线到红外线的广泛光学透明度
• 耐化学腐蚀
• 生物兼容的

典型的物理和机械性能列于表1。

钻石有一定的局限性。它在室温和压力下是亚稳定的，在氧气中加热到600°C以上时形成黑色涂层，在氮气中加热到1500°C左右时还原为石墨。

金刚石会与硬质合金形成的金属(即钨、钽和锆)发生反应。它溶于铁、钴、锰、镍、铬和铂族金属。

表1。典型的金刚石物理和机械性能。

财产	价值
密度(克/厘米3.）	3．50
杨氏模量(GPa)	1050
弯曲强度(MPa)	850
断裂韧度K1 c(MPa.m0．5）	3．5
硬度(GPa)	45
热膨胀系数(× 10－6/°C)	1．1
摩擦系数	0．02
电阻率(ohm.cm)	＞1013
导热系数(W /可)	400
氮分解温度(°C)	1500

众多的离子

自第二次世界大战以来，随着合成方法的发展，金刚石的使用得到了极大的发展，利用了其独特的性能组合和增加的可用性。下文将详细介绍下列应用程序:

减少修理工具和磨损部件

这些应用开发的性能是硬度，强度，低热膨胀系数，低摩擦系数和化学电阻率。

该领域的一些产品包括石油钻头、岩石钻头刀具、拉丝模、挤压模、刀具刀片、光学研磨工具、计算机硬盘涂层和滚珠轴承涂层。

无论是多晶金刚石还是金刚石涂层都可以用于这一领域(见图1)。在使用涂层时，制造商必须注意涂层的附着力，确保涂层均匀，并遵循组件轮廓，以确保成功使用。涂层不能应用于铁材料，因为它会发生反应和溶解。欧洲杯足球竞彩

衬底，散热片和散热器的热管理

金刚石提供了高导热性和电绝缘的独特组合。

应用领域包括混合电路封装，用于激光二极管和小型微波功率器件的散热器，集成电路基片和印刷电路板。钻石的使用使设备的运行速度更快，因为设备可以更紧密地封装而不会过热。进一步的可靠性改进应该是预期的，因为当安装在金刚石上时，器件中的节点将在较低的温度下工作。

半导体器件

金刚石的电子结构具有较宽的带隙，使其具有用作半导体的潜力。然而，在金刚石涂层广泛应用于该领域之前，还必须克服一些问题。主要关注的是有效掺杂材料和单晶或高取向薄膜的生长。在金刚石衬底上生长的掺硼(p型)薄膜已制成有源器件。该设备能够在> 500°C的温度下工作，而硅和砷化镓设备的最高工作温度为200°C。

潜在的应用包括超高功率晶体管、高温集成电路、压电器件和抗辐射集成电路。

光学组件

金刚石开始用于光学元件，特别是在恶劣环境下作为红外光学的保护涂层。一层薄薄的CVD金刚石可以保护由ZnS, ZnSe和Ge制成的红外窗口，这些材料都很脆，很容易损坏。如果能达到光学平整度，悬空多晶薄膜在未来的应用中可能会得到应用。

高性能的应用程序

金刚石的优异性能在许多领域都具有提高性能的潜力。主要的障碍是成本和生产规模。例如，金属丝和纤维可以用化学气相沉积(CVD)涂层金刚石，增加接近金刚石的模量，并打开更强和更硬的复合材料、陶瓷装甲和弹体的可能性。此外，微组件，如250微米直径和12微米厚的微齿轮，可以在金刚石中制造，用于微机器人和微机械设备，并提供优越的性能，目前可用的硅和多晶硅组件。