[发明专利]一种ScB2

说明书

本发明提供了一种ScB2‑B超硬复合薄膜及其制备方法。所述的ScB2‑B超硬复合材料，其特征在于，其化学式为(1‑x)ScB2‑xB，其中0＜x≤0.6。所述ScB2‑B复合薄膜的制备方法，包括以下步骤：清除衬底表面杂质，腔体预加热，衬底表面清洗刻蚀，采用用Sc、B两靶磁控共溅射制备得到ScB2‑B复合薄膜，通过控制两个靶位电源功率和溅射时的腔体压强等来实现组分的调节，可以获得不同物理属性(模量、硬度、热膨胀系数等)的组成，满足不同的使用需求和使用场景。本发明所提供的硼化钪硬度高，适用于机械加工、油井钻探和航天航空等许多领域广泛应用。

技术领域

本发明属于硬质材料及其制备技术领域，特别涉及一种ScB₂-B硬质复合薄膜及采用磁控溅射技术制备ScB₂-B硬质复合薄膜的方法。

背景技术

硬质材料具有高硬度、高熔点和耐腐蚀等优良特性，广泛应用于机械加工、油井钻探和航天航空等许多领域。传统超硬材料以金刚石、立方氮化硼(cBN) 和碳化硼等为代表。

金刚石是公认的最硬材料(～100GPa)，其制备往往采用超高温高压技术，使石墨等碳质原料从固态或熔融态直接转变成金刚石。cBN具有高化学稳定性，目前工业上应用普遍以多晶立方氮化硼(polycrystalline cubic boron nitride， PCBN)为主。美国专利文件(United States Patent 8999531，Takahide Kudoh(Iwaki， JP)，Naohiro Kagawa(Iwaki，JP)，Takashi Umemura，(Iwaki，JP))显示，Takahide Kudoh采用一定粒度的cBN粉末以及用于形成粘结相的Ti、Zr、Ti、Zr、Hf、V、 Nb、Ta、Cr、Mo、W、Co、Ni或Al的金属，这些金属的碳化物，碳氮化物，氮化物，硼化物或氧化物中的至少一种和几种形成的固溶体，并采用典型的陶瓷工艺，包括球磨、造粒、预烧、初次烧结、破碎，再次烧结，且需要高温(～1600℃) 高压(～8GPa)条件下合成。其制备方法复杂且工艺条件比较苛刻，成本高昂，且烧结性能差。碳化硼也是重要的硬质材料，硬度非常高，仅次于金刚石和立方氮化硼，若要获得高致密高硬度的碳化硼，科研工作者开展了大量研究工作。美国专利文件(United StatesPatent 20160002115A1，Subhash，Gainesville，FL(US)， Richard Blair，Oviedo，FL(US))公开了一种制备超硬碳化硼材料的方法，通过掺杂少量的Ni，Co，Rh和Pd，并在高温(～2000℃)高压(～100GPa)，真空等离子体烧结制备了硬度达48GPa的超硬材料。

硬质材料的传统合成和制备方法，往往需要繁琐的工艺制备过程，且需要高温高压、真空、等离子体烧结等苛刻的制备设备和条件，这些固有缺陷限制了它们在工程应用范围。为此，开发低成本、低工艺要求的新型的硬质材料具有巨大的科学意义和工程价值。

近期研究表明，过渡金属化合物可能成为新型超硬材料。为了使过渡金属转变为硬质材料，可以用共价键代替金属键，并使电子优化轨道填充和分布，提高硬度。因此，将硼、碳、氮、氧等小原子掺入到过渡金属晶格内，设计出过度金属化合物，成为合成硬质材料的新途径。用第一性原理理论和密度泛函理论研究表明，ScB₂的硬度可以达到～30GPa，但文献中鲜有其制备工艺和其硬度的测试数据的报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种ScB₂-B超硬复合薄膜及其制备方法。该制备方法采用双靶共溅射的真空气相沉积类型方法，包括但不限于多弧离子镀、磁控溅射、 PLD、电子束蒸发方法。可通过调整反应腔的真空气氛，真空腔温度、腔内气体压力控制参数，以获得满足硬度、耐磨度、抗氧化性和抗热腐蚀性等不同要求的薄膜。该薄膜制备工艺简单，具有较高的效率和较低的制备成本。

为了达到上述目的，本发明提供了一种ScB2-B超硬复合材料，其特征在于，其化学式为(1-x)ScB₂-xB，其中0＜x≤0.6。