Gpa = 1 000 000 000 Pa 。
5 e( e u& _- @4 D硬度就是指金属抵抗更硬物体压人其表面的能力。硬度不是一个单纯的物理量，而是反映弹性、强度、塑性等的一个综合性能指标，例如，金属材料常用硬度反映材料抵抗塑性形变的能力，而陶瓷、矿物材料的硬度主要反映材料抵抗破坏的能力。硬度在实际应用中，由于测量方法不同，测得的硬度所代表的材料性能也各异。 测试方法按施加负荷方法的不同，有静试验负荷法和动负荷试验法。静负荷试验法，是在静负荷作用下将一个硬的压头压入材料来测试硬度，属于这种试验法的有布氏、洛氏、表面洛氏、维氏和显微硬度试验法等。布氏硬度法主要用来测定金属材料中较软及中等硬度的材料，很少用于陶瓷；维氏硬度法适用于较硬的材料；一般无机材料也常用显微硬度法测量。动负荷试验法是在动负荷作用下使一个硬压头冲击材料来测试硬度，属于这种试验法的有冲击布氏和肖氏硬度试验法等。各种测试方法所得硬度没有统一的意义，单位也不相同，彼此间没有固定的换算关系。陶瓷材料的硬度常用维氏硬度、莫氏硬度、显微硬度来评价。. U" v/ r& V$ D m
所以就有了以GPa来表示硬度的了。 显微维氏硬度，对于很硬的材料来说，其值一般在数个GPa左右，而单晶金刚石的硬度是大约100GPa。 用GPa表示的例子很多：0 ]8 N: n/ w- y7 L8 ~, @
1 超硬薄膜5 A$ o% z+ o2 A& t& N
超硬薄膜是指维氏硬度在40GPa以上的硬质薄膜。不久以前还只有金刚石膜和立方氮化硼(c-BN)薄膜能够达到这个标准，前者的硬度为50-100GPa(与晶体取向有关)，后者的硬度为50～80GPa。类金刚石膜(DLC)的硬度范围视制备方法和工艺不同可在10GPa～60GPa的宽广范围内变动。因此一些硬度很高的类金刚石膜(如采用真空磁过滤电弧离子镀技术制备的类金刚石膜(也叫Ta：C))也可归人超硬薄膜行列。近年来出现的碳氮膜(CNx)虽然没有像Cohen等预测的晶态β-C3N4那样超过金刚石的硬度，但已有的研究结果表明其硬度可达10GPa～50GPa，因此也归人超硬薄膜一类。上述几种超硬薄膜材料具有一个相同的特征，他们的禁带宽度都很大，都具有优秀的半导体性质，因此也叫做宽禁带半导体薄膜。SiC和GaN薄膜也是优秀的宽禁带半导体材料，但它们的硬度都低于40GPa，因此不属于超硬薄膜。
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1 _( V1 a7 Z; b7 c 最近出现的一类超硬薄膜材料与上述宽禁带半导体薄膜完全不同，他们是由纳米厚度的普通的硬质薄膜组成的多层膜材料。尽管每一层薄膜的硬度都没有达到超硬的标准，但由它们组成的纳米复合多层膜却显示了超硬的特性。此外，由纳米晶粒复合的TiN／SiNx薄膜的硬度竟然高达105GPa，创纪录地达到了金刚石的硬度。4 A, N. a8 E! Y N- {/ f
. i/ x' _' y. q2 z3 C b. x 本文将就上述几种超硬薄膜材料一一进行简略介绍，并对其工业化应用前景进行评述。
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$ `- \* t: K- Q5 G" {2 金刚石膜- G1 J" l. Z6 d. D6 {2 v
2．1金刚石膜的性质4 B% d1 V4 h4 R b$ q: u
金刚石膜从20世纪80年代初开始，一直受到世界各国的广泛重视，并曾于20世纪80年代中叶至90年代末形成了一个全球范围的研究热潮(Diamond fever)。这是因为金刚石除具有无与伦比的高硬度和高弹性模量之外，还具有极其优异的电学(电子学)、光学、热学、声学、电化学性能(见表1)和极佳的化学稳定性。大颗粒天然金刚石单晶(钻石)在自然界中十分稀少，价格极其昂贵。而采用高温高压方法人工合成的工业金刚石大都是粒度较小的粉末状的产品，只能用作磨料和工具(包括金刚石烧结体和聚晶金刚石(PCD)制品)。而采用化学气相沉积(CVD)方法制备的金刚石膜则提供了利用金刚石所有优异物理化学性能的可能性。经过20余年的努力，化学气相沉积金刚石膜已经在几乎所有的物理化学性质方面和最高质量的IIa型天然金刚石晶体(宝石级)相比美(见表1)。化学气相沉积金刚石膜的研究已经进人工业化应用阶段。
* a+ W7 x( G" D g( N# ? 表 1 金刚石膜的性质( Y I. ~- \; v
Table 1 Properties of chamond film
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| CVD 金刚石膜 | 天然金刚石 | 点阵常数 (Å  | 3.567 | 3.567 | 密度 (g/cm3) | 3.51 | 3.515 | 比热 Cp(J/mol,(at 300K)) | 6.195 | 6.195 | 弹性模量 (GPa) | 910-1250 | 1220* | 硬度 (GPa) | 50-100 | 57-100* | 纵波声速 (m/s) |
" k- W! d6 E f: S% S% h% h, Y | 18200 | 摩擦系数 | 0.05-0.15 | 0.05-0.15 | 热膨胀系数 (×10 -6 ℃ -1) | 2.0 | 1.1*** | 热导率 (W/cm.k) | 21 | 22* | 禁带宽度 (eV) | 5.45 | 5.45 | 电阻率 (Ω.cm) | 1012-1016 | 1016 | 饱和电子速度 (×107cms-1) | 2.7 | 2.7* | 载流子迁移率 (cm2/Vs) |
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| 电子 | 1350-1500 | 2200** | 空隙 | 480 | 1600* | 击穿场强 (×105V/cm) | 3 m& ^% S' h9 }( S
| 100 | 介电常数 | 5.6 | 5.5 | 光学吸收边 (□ m) |
/ X1 b( p7 l0 Z | 0.22 | 折射率 (10.6 □ m) | 2.34-2.42 | 2.42 | 光学透过范围 | 从紫外直至远红外 ( 雷达波 ) | 从紫外直至远红外 ( 雷达波 ) | 微波介电损耗 (tan □) | ＜ 0.0001 |
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: u/ a0 z/ U4 F7 q6 K, P. j显微硬度
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显微硬度是一种压入硬度，反映被测物体对抗另一硬物体压入的能力。测量的仪器是显微硬度计，它实际上是一台设有加负荷装置带有目镜测微器的显微镜。测定之前，先要将待测磨料制成反光磨片试样，置于显微硬度计的载物台上，通过加负荷装置对四棱锥形的金刚石压头加压。负荷的大小可根据待测材料的硬度不同而增减。金刚石压头压入试样后，在试样表面上产生一个凹坑。把显微镜十字丝对准凹坑，用目镜测微器测量凹坑对角线长度。根据所加负荷及凹坑对角线长度就可计算出所测物质的显微硬度值。 7 M2 g( g0 T! R+ C: c
由于所用金刚石压头的形状不同，显微硬度又分为维氏（Vickers）显微硬度和努普（Knoop）显微硬度两种。 & B0 ?) {9 B w1 x
维氏显微硬度是用对象为130°的金刚石四棱锥作压入头，其值按下式计算：
% v. w/ r; m% s {9 ?6 j1 A7 \HV＝18.18·P/d2
" \7 \/ D& a5 @" l, u, g式中：HV－维氏硬度，Mpa； P－荷重，kg； / l/ k' N' y, r3 Y; \, |
d－凹坑对角线长度，mm。 8 @4 H) Y, W L4 k0 {
努普硬度是用对棱角为170°30′和130°的金刚石四棱锥作压入头，其值按下式计算：
% S7 U/ m5 V) H+ p+ R& ] RHK=139.54·P/L2
' W" h/ n! U" d% w% M1 e% M, B& s式中：HK－努普硬度，Mpa；P－荷重，kg；
$ E. m' i1 Y- t: E) b9 lL－凹坑对角线长度，mm。
) z; ?& f& s; m, q# e* o B我国和欧洲各国采用维氏硬度，美国则采用努普硬度。兆帕（MPa）是显微硬度的法定计量单位，而kg/mm2是以前常用的硬度计算单位。它们之间的换算公式为1kg/mm2=9.80665Mpa ' a9 y& g# x1 {7 Y
" K' R+ q7 i) L+ s) p9 X+ X |
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发表于 2008-1-22 10:07:58