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化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition，CVD）金刚石涂层具有十分接近天然金刚石的硬度、高的弹性模量、极高的热导率、良好的自润滑性和化学稳定性等优异性能，从而使其在工模具及耐磨器件领域具有广阔的应用前景。非氧化物结构陶瓷，如碳化硅(SiC)和氮化硅(Si3N4)等，是典型强共价键结合的碳化物形成材料，有近似于金刚石的四面体结构单元，在上述陶瓷基体上，CVD金刚石成核密度大，与金刚石涂层有很好的结合性，与硬质合金相比，陶瓷材料热膨胀系数较小，又无Co的催石墨化影响，因此，在陶瓷基体材料上，容易获得高附着力的金刚石涂层，极大拓宽陶瓷材料在摩擦磨损领域的应用范围，同时，也将促进陶瓷作为硬质合金材料替代品的应用，有效缓解硬质合金工具行业中钨和钴资源的消耗。本文致力于陶瓷基金刚石涂层的制备和相关应用基础研究，对于推动CVD金刚石涂层应用产业化具有重要意义。主要研究工作内容如下:
1.陶瓷基金刚石涂层的生长机理和界面晶体结构研究。采用量子力学方法研究了金刚石涂层在异质界面上初期生长的过程，利用1/4、1/2和1碳层的碳化硅表面模型，在未钝化和氢钝化条件下，对6H-SiC(0001)基体表面的CVD金刚石涂层初期生长进行分析，可以看出，CVD制备过程中氢钝化可以避免基体表面出现重构，保持基体表面结构稳定，避免吸附碳基石墨化倾向，有利于金刚石结构的生成，碳化学势结果表明，无论基体表面悬挂键是否钝化，沿着碳化学势方向上稳定的结构顺序为1/4碳层结构，1/2碳交叉结构和1碳层结构。同时，以CHx和C2Hx为主要反应基团，研究了其所有分子类型在碳化硅表面上吸附和成键性能，结果表明，Si表面和C表面基体吸附CHx和C2Hx反应气体具有不同的性能，对Si表面而言，C2Hx反应气体的吸附结构存在6种不同的结构，即C-CH，CH=CH，CH-CH2，CH=CH2，CH-CH3和CH2-CH3;对C表面而言，C2Hx反应气体的吸附结构存在8种不同的结构，即C-CH,C-CH2,C=CH2,CH-CH2,CH=CH2,CH-CH3,CH2-CH2和CH2-CH3,其中C2H5吸附结构最为稳定，计算结果表明，Si表面比C表面对氢的吸附能力要更强，Si表面比C表面更有利于CVD金刚石生长。另外，利用XRD实验和理论分析方法，给出了金刚石(111)[1(1)00]-3×3/β-Si3N4(0001)[(1)2(1)0]-1×1界面晶体结构类型，通过第一性原理数值计算表明了该晶体结构的有效性，计算结果表明，金刚石与β氮化硅晶体之间存在2个sp2的碳原子和7个共价键，包括3个含有悬挂键未饱和的Si原子与金刚石C原子、3个含有悬挂键未饱和的N原子与金刚石C原子以及1个未含有悬挂键饱和的N原子与金刚石C原子之间形成的共价键。
2.多层膜结构的陶瓷基金刚石复合涂层的制备新方法。针对陶瓷基体，提出了多次常规微米金刚石涂层(micro-crystallinediamond，MCD)沉积→等离子体抛光→金刚石粉研磨循环→纳米金刚石涂层(nano-crystallinediamond，NCD)沉积制备新工艺，实现常规微米金刚石涂层与纳米金刚石涂层相复合，等离子体抛光与金刚石粉研磨相结合，制备出具有多层膜结构的陶瓷基金刚石复合涂层，实验结果表明，多层膜MCD/MCD/NCD复合涂层可以克服陶瓷基体表面缺陷对涂层的影响，涂层表面粗糙度可以达到Ra112nm，晶体颗粒尺度为70-80nm，涂层厚度达到20-22μm，其中每层MCD涂层厚度为8-10μm，NCD涂层厚度为5-7um，相对于单层膜NCD涂层而言，多层膜MCD/MCD/NCD复合涂层附着性能大幅提高，达到MCD性能水平。因此，多层膜结构的金刚石复合涂层的制备新方法不仅可以实现涂层厚度的有效控制，而且可以减小涂层内应力，实现了陶瓷基体材料上沉积既具有高附着力又有光滑表面的高性能金刚石复合涂层的目标。
3.多层膜结构的陶瓷基金刚石复合涂层的摩擦学性能研究。采用“球-盘”往复式摩擦磨损试验机对所沉积的多层膜结构的陶瓷基金刚复合涂层进行摩擦试验，分别对碳化硅陶瓷基体制备出的单层膜MCD涂层和多层膜结构的金刚石涂层和氮化硅陶瓷基体上沉积出的单层膜MCD涂层、单层膜NCD涂层、二层膜MCD/MCD涂层和多层膜MCD/MCD/NCD复合涂层分别进行对比研究，实验结果显示，针对碳化硅陶瓷基体，多层膜结构的金刚石涂层具有优异的摩擦学性能，在干摩擦条件下，单层膜MCD涂层与氮化硅和硬质合金对摩球的摩擦系数分别为0.142和0.301;多层膜结构的金刚石涂层相对应的摩擦系数分别为0.069和0.283，水润滑条件下，单层膜MCD涂层与氮化硅和硬质合金对摩球的摩擦系数分别为0.086和0.231;多层膜结构的金刚石涂层相对应的摩擦系数分别为0.051和0.217，磨损形貌表明，多层膜结构的金刚石涂层表面没有出现明显的磨损，而无涂层陶瓷基体出现很宽很深的犁沟，表面破损严重。对于氮化硅基体而言，单层膜MCD涂层、单层膜NCD涂层、二层膜MCD/MCD涂层和多层膜MCD/MCD/NCD复合涂层与氮化硅对摩球的摩擦系数分别为0.128、0.076、0.071和0.067，摩擦后的NCD涂层出现较大的犁沟和磨损，MCD涂层、MCD/MCD涂层出现轻微的磨损，多层膜MCD/MCD/NCD涂层耐磨性能优异。研究表明，多层膜结构的金刚石复合涂层工艺有助于提高金刚石涂层中碳含量和金刚石晶体的纯度，从而导致其具有较低的摩擦系数和优异的耐磨损性能。
4.多层膜结构的陶瓷基金刚石复合涂层刀具的制备和应用研究。在氮化硅陶瓷平片刀片上制备出单层膜MCD涂层、单层膜NCD涂层、MCD/NCD复合涂层、二层膜MCD/MCD涂层和多层膜MCD/MCD/NCI)复合涂层，采用所制备出的不同类型金刚石涂层刀具对高硅铝合金难加工材料进行切削实验，结果表明，单层膜MCD涂层摩擦系数较大、厚度较薄，导致涂层耐磨性能不足;单层膜NCD涂层内应力较大，附着力差，容易出现涂层脱落;MCD/NCD复合涂层刀具的工作寿命有所增加;随着摩擦系数的降低和金刚石晶体纯度的提高，二层膜MCD/MCD涂层刀具可以有效的提高刀具耐磨性能，延长刀具的工作寿命，并没有出现涂层脱落，在此基础上，继续沉积NCD涂层的多层膜MCD/MCD/NCD复合涂层刀具的磨损量进一步减小，涂层刀具的耐磨性能进一步得到提高，工程实际应用表明，多层膜MCD/MCD/NCD复合涂层刀具延长了刀具的使用寿命，有效提高了生产效率。
5.多层膜结构的陶瓷基金刚石复合涂层模具和耐磨器件的制备与应用研究。根据线缆模具内孔直径的不同，采用了不同直径和根数的绞线型穿孔直拉热丝排布金刚石涂层制备方法，以碳化硅陶瓷模具为基体，在其内孔表面沉积出多层膜结构的金刚石复合涂层线缆模具自主创新的工具，实验结果表明，相比普通的硬质合金紧压模，在电缆线芯绞线行业的实际生产中，多层膜结构的碳化硅基金刚石复合涂层紧压模工作寿命提高了7-13倍，有效提高了电缆产品的质量和劳动生产率;在同轴电缆外导体的生产中，多层膜结构的金刚石复合涂层焊接套和拉拔套比高分子尼龙模具相比寿命至少提高了100倍，显著改善同轴电缆的产品质量，有效解决了铝材与锥套之间的粘结与冷焊。此外，采用多根绞丝平面排布的金刚石涂层制备方法在较大尺寸表面的机械密封环端面上沉积多层膜结构的金刚石复合涂层，结果表明，多层膜结构的氮化硅基金刚石复合涂层机械密封环较未涂层金刚石的机械密封环寿命提高了5倍以上，密封效果显著提高。