钻石（C） - 特性和应用

传统上，陶瓷被归类为基于粘土的材料。亚博网站下载但是，随着陶瓷领域的扩展，它们可以定义为在加工或使用过程中对热处理的无机非金属材料。亚博网站下载它们倾向于脆弱，坚硬和惰性，并具有离子或共价键合。钻石符合所有这些标准。

钻石是一种碳的形式，在三次结构中结晶，每个碳原子都通过与其他四个原子的强，刚性化学键相连。

直到1950年代，钻石以相对较高的价格以相对较高的价格提供，这个词创造了辉煌的宝石和财富的形象。广泛的宝贵特性驱动了制造合成钻石的路线的发展，该钻石生产了新产品和应用。

来源

现在可以从几个来源找到钻石：

• 天然发生的钻石；每年开采约20吨钻石。一半是宝石质量，一半是工业质量。
• 合成单晶钻石；每年通过高压和高温（HPHT）方法制造约90吨钻石。大多数工业钻石是由石墨制成的，借助熔融过渡金属催化剂，压力为4.5至6.0 GPA，温度为1400至1600°C。这些钻石比天然钻石便宜得多。
• 多晶钻石通常是通过将金属作为粘合剂固定在一起的，或者使用碳化钾碳化物作为烧结剂形成。
• 蒸气相沉积。化学蒸气沉积（CVD）和物理蒸气相沉积（PVD）都会产生薄钻石膜。每年生产约10吨蒸气相种植的钻石膜。它们的成本是天然钻石的四倍以上。但是，由于它们以薄膜形式使用，并且对组件特性产生了显着影响，因此它们的应用可以在经济上有理由。

关键属性

钻石提供了化学，物理和机械性能的令人印象深刻的组合：

• 最难的已知材料
• 低摩擦系数
• 高热电导率
• 高电阻率
• 低热膨胀系数
• 高强度
• 从Ultra Violet到Instra Red的广泛的光学透明度
• 耐化学腐蚀
• 生物学上兼容

表1列出了典型的物理和机械性能。

钻石有局限性。它在室温和压力下是元稳定的，当在氧气中加热至600°C以上时形成黑色外套，并在1500°C左右在氮气中加热时恢复到石墨。

钻石将与强碳化物形成金属（即钨，坦塔尔和锆）反应。它溶解在铁，钴，锰，镍，铬和铂群金属中。

表格1。钻石的典型物理和机械性能。

财产	价值
密度（g/cm3）	3.50
杨的模量（GPA）	1050
弯曲强度（MPA）	850
断裂韧性k1C（mpa.m0.5）	3.5
硬度（GPA）	45
热膨胀系数（x 10-6/°C）	1.1
摩擦系数	0.02
电阻率（OHM.CM）	> 1013
导热率（w/mk）	400
氮（°C）中的分解温度	1500

应用程序离子

自第二次世界大战以来，钻石的使用已大大增长，利用了特性的独特组合以及随着综合方法的开发而增加的材料的可用性。以下更详细地介绍以下应用程序：

切Ting工具和磨损组件

这些应用所利用的特性是硬度，强度，低热膨胀系数，低摩擦系数和化学电阻率。

该区域中的某些产品包括油钻头，岩石钻车，电线绘画模具，挤压模具，切割工具插件，光学研磨工具，用于计算机硬盘的涂料和滚珠轴承涂料。

多晶钻石或钻石涂料都可以在该区域使用（见图1）。在使用涂料时，制造商必须注意涂层粘附并确保涂层均匀，并遵循零件轮廓成功使用。涂层不能将其反应和溶解，因此不能应用于黑色的材料。亚博网站下载

底物，散热器和散热器的热管理

Diamond提供了高热导电性与电绝缘材料的独特组合。

应用包括混合电路包，激光二极管的散热器和小型微波电源设备，集成电路基板和印刷电路板。钻石的使用实现了更高的工作速度，因为设备可以更紧密地包装而不会过热。应该预期的可靠性改善，因为设备的连接装置将在钻石上安装在较低的温度下。

半导体设备

钻石的电子结构具有宽带隙，使其有可能用作半导体。但是，在该区域广泛利用钻石涂料之前，必须克服许多问题。主要的关注是有效地掺杂了单晶或高度定向膜的材料和生长。活跃的设备是由钻石底物上生长的硼掺杂（P型）膜制成的。这些设备能够在> 500°C的温度下运行，而硅和砷化炮器的最高工作温度为200°C。

潜在的应用包括非常高的功率晶体管，高温集成电路，压电设备和辐射硬化的集成电路。

光学组件

钻石开始用于光学组件中，尤其是在恶劣环境中的红外光学涂层。一层CVD钻石可以保护由ZNS，ZNSE和GE制成的红色窗户，它们易于易碎并且容易受损。未来的应用可能会使用独立的多晶膜，提供光学平坦。

高性能应用

Diamond的出色特性有可能提高许多应用中的性能。主要障碍是生产的成本和规模。例如，金属线和纤维可以用钻石涂有CVD，从而增加了接近钻石的模量，并打开了更坚固和更硬的复合材料，陶瓷装甲和弹丸的可能性。此外，可以在钻石中制造微分组件，例如遍布12微米的微型齿轮和12微米，用于微型机器人和微型机械设备，并​​为当前可用的硅和多利硅零件提供出色的性能。