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类金刚石(DLC)简介

来源: 时间:2019-04-29 17:16:43 次数:

类金刚石(英文:Diamond-likeCarbon 缩写DLC)是一种非晶碳,这种材料表现出很多与金刚石相类似的性质,DLC常常作为涂层材料使用。

类金刚石(DLC)简介

类金刚石(英文:Diamond-likeCarbon 缩写DLC)是一种非晶碳,这种材料表现出很多与金刚石相类似的性质,DLC常常作为涂层材料使用。

类金刚石的微观结构

为了弄清楚类金刚石的概念,我们首先研究一下碳元素。

碳元素广泛存在于自然界当中,我们平时看到的钻石、石墨、富勒烯、碳纳米管等等都是碳元素形成的。


碳元素有3种杂化键,sp1、sp2、sp3。这三种键的不同含量组合,构成不同形态的分子结构,从而表现出不同的性质。


当碳原子以sp3键的杂化轨道行程共价键的时候,就会形成金刚石。当碳原子以sp2键的杂化轨道行程共价键的时候,就会形成石墨。当以碳原子sp2、sp3键混合杂化的时候,形成的就是类金刚石了。


类金刚石常常是以薄膜形式使用的,类金刚石薄膜具有高硬度.高电阻率.良好光学性能等,同时又具有自身独特摩擦学特性的非晶碳薄膜。碳元素因碳原子和碳原子之间的不同结合方式,从而使其最终产生不同的物质:金刚石(diamond)—碳碳以 sp3键的形式结合;石墨(graphite)—碳碳以sp2键的形式结合;而如同绪论里所述类金刚石(DLC)—碳碳则是以sp3和 sp2键的形式结合,生成的无定形碳的一种亚稳定形态,它没有严格的定义,可以包括很宽性质范围的非晶碳,因此兼具了金刚石和石墨的优良特性;所以由类金刚石而来的DLC膜同样是一种亚稳态长程无序的非晶材料,碳原子间的键合方式是共价键,主要包含sp2和sp3两种杂化键,而在含氢的DLC膜中还存在一定数量的C-H键。

由两个相同或不相同的原子轨道沿轨道对称轴方向相互重叠而形成的共价键,叫做σ键。σ键是原子轨道沿轴方向重叠而形成的,具有较大的重叠程度,因此σ键比较稳定。σ键是能围绕对称轴旋转,而不影响键的强度以及键跟键之间的角度(键角)。根据分子轨道理论,两个原子轨道充分接近后,能通过原子轨道的线性组合,形成两个分子轨道。其中,能量低于原来原子轨道的分子轨道叫成键轨道,能量高于原来原子轨道的分子轨道叫反键轨道。以核间轴为对称轴的成键轨道叫σ轨道,相应的键叫σ键。以核间轴为对称轴的反键轨道叫σ*轨道,相应的键叫σ*键。分子在基态时,构成化学键的电子通常处在成键轨道中,而让反键轨道空着。σ键是共价键的一种。它具有如下特点:第一点,σ键有方向性,两个成键原子必须沿着对称轴方向接近,才能达到最大重叠;第二点,成键电子云沿键轴对称分布,两端的原子可以沿轴自由旋转而不改变电子云密度的分布;第三点,σ键是头碰头的重叠,与其它键相比,重叠程度大,键能大,因此,化学性质稳定。共价单键是σ键,共价双键有一个σ键,π键,共价三键由一个σ键,两个π键组成。

类金刚石的类型

类金刚石薄膜(DLC)是1种非晶薄膜,可分为无氢类金刚石碳膜(a-C)和氢化类金刚石碳膜(a-C:H)(图2)两类 。无氢类金刚石碳膜有a-C膜(主要由sp3和sp2键碳原子相互混杂的三维网络构成),以及四面体非晶碳(tetrahedral carbon,简称ta-C)(主要由超过80%的sp3键碳原子为骨架构成);氢化类金刚石碳膜(a-C:H)又可分为类聚合物非晶态碳(polymer—like carbon,简称PLC)、类金刚石碳、类石墨碳3种,其三维网络结构中同时还结合一定数量的氢。

类聚合物非晶态碳是含氢金刚石薄膜的一种它是非晶体又有类似于聚合物那种通过相同简单的结构单元通过共价键重复连接而成的化合物。这种类金刚石薄膜因为sp2键占据了主要数量,所以比较软,又不具备石墨的特性,使得它的用途受到了限制,在摩擦学的应用上还处在起步阶段。

类金刚石碳膜(diamond-like carbon films,简称DLC膜),是含有类似金刚石结构的非晶碳膜,也是我们在这里真正需要介绍的一种。DLC膜的基本成分是碳,由于其碳的来源和制备方法的差异,DLC膜可分为含氢和不含氢两大类。DLC膜是一种亚稳态长程无序的非晶材料,碳原子间的键合方式是共价键,主要包含sp2和sp3两种杂化键,在含氢DLC膜中还存在一定数量的C-H键。我们从1996年起开始磁过滤真空弧及沉积DLC膜研究,正在完善工业化技术。如等离子体源沉积法、离子束源沉积法、孪生中频磁控溅射法、真空阴极电弧沉积法和脉冲高压放点等。不同的制备方法,DLC膜的成分、结构和性能不同。

类金刚石碳膜(Diamond-like carbon films,简称DLC膜)作为新型的硬质薄膜材料具有一系列优异的性能,如高硬度、高耐磨性、高热导率、高电阻率、良好的光学透明性、化学惰性等,可广泛用于机械、电子、光学、热学、声学、医学等领域,具有良好的应用前景。我们开发了等离子体-离子束源增强沉积系统,并同过该系统中的磁过滤真空阴极弧和非平衡磁控溅射来进行DLC膜的开发。

该项技术广泛用于电子、装饰、宇航、机械和信息等领域,用于摩擦、光学功能等用途。目前在我国技术正处于发展和完善阶段,有巨大市场潜力。

类石墨碳是含氢类金刚石中的最后一类,它具有类似于石墨的特性,sp2在含量较高在百分之七十左右。现代,类金刚石碳膜因同时具有高硬度和低摩擦系数而引起广泛关注, 然而, 它与工业中常用的铁基材料存在“ 触媒效应” ,即, 镀的刀具在加工黑色金属的过程中高硬度砂键会转化成软的护键, 使耐磨性急剧下降, 因此限制了它的应用范围年限, 柳襄怀等采用离子束辅助沉积功技术制备出了用于满足电磁功能要求的“ 石墨化” 的膜年, 提出存在高硬度“碳结构”,其后,英国及公司采用全封闭非平衡磁控溅射制备出了高硬度碳膜专利一镀层阅研究表明一以砂结构为主, 在与钢铁材料摩擦时未出现“ 触媒效应” 且硬度适中、摩擦系数小、比磨损率较低一个数量级, 具有极其优越的摩擦学性能碳膜的结构和性能很大程度上与其制备工艺有关方法便于控制辅助轰击参数以改变镀层的结构, 磁控溅射沉积速率较高, 可制备厚镀层,此类碳膜既非又非普通石墨, 暂称之为类石墨碳膜。

转自表面工程技术。

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