多数实验研究表明:DLC在大气环境下可以表现出低的摩擦系数,如果制备工艺恰当,其摩擦因数比较低可达,且类金刚石膜具有良好的自润滑特性,所以人们可较好的将其使用在高真空、高温等不适于液体润滑的情况以同时又有清洁要求的环境中,如航天航空领域。上个世纪70年代末前苏联将DLC技术应用于宇航仪表中的动压气浮轴承,成功研制出高精度且**磨损型陀螺动压马达。1990年欧洲空间中心摩擦实验室在评价了空间使用的各种固体材料之后,明确指出今后太空空间的固体材料涂层应该是以金刚石膜和类金刚石膜为主。通过分析比较,他们认为DLC是适合未来的太空空间润滑摩擦表面的涂层。研究还发现,类金刚石膜在超高真空中的磨损更为缓和,同时产生的磨损粒子更少,摩擦状态更稳定。故DLC作为固体润滑膜应用到宇航具有比其他材料更为突出的潜力,必将在航天航空领域留下浓墨重彩的一笔。DLC薄膜的机械性能怎么样?宁波金属表面DLC技术
有数种方法来生产类金刚石碳,但都是基于, sp杂化键比sp杂化键小很多的事实。因此原子尺度上压力、冲击、催化或者是几种方法的组合的应用可以迫使sp杂化碳原子结合在一起形成sp键合。这些作用必须足够强使得这些原子能够偏离sp键合的特性,而不能像弹簧一样变形回来。一般的技术,要有一种足够的压力,要么能够使sp杂化碳原子团簇深入到涂层内,使得没有足够的空间让sp杂化扩张回来,要么这些新的团簇就很快被下一轮新到来的碳所埋。可以把这个过程想象成为下冰雹一样的一种更局部化、更快、更加纳米的热压结合条件来生产天然和合成的金刚石。由于它们单独的的发生在生长薄膜或涂层表面的许多地方,它们倾向于形成类似于鹅卵石街道一样的表面,其中鹅卵石是指sp杂化碳的结核或团簇。根据所使用的特定生产工艺,生产上会有很多碳沉积的周期,一些工艺例如连续的新碳元素到达比例和弹道运输可以促使sp键合形成。其结果就是,ta-C可能有”鹅卵石街道“的结构,或者说结核会融在一起,就像一块海绵或是鹅卵石一样,小到几乎不能看见。图示为一个常规的"中等"形貌的ta-C薄膜。宝山橡胶模DLCDLC类金刚石涂层性能及作用。
类金刚石(diamond-likecarbon,DLC)薄膜是一种同时含有sp2键和sp3键的非晶碳膜,其结构及性能介于金刚石与石墨之间,具有高硬度、高热导率、良好的化学惰性和耐磨性,在装备关键运动部件的表面防护方面有巨大应用前景,现已成为世界范围内被研究的薄膜材料之一。但DLC作为一种亚稳态材料,膜内残余压应力大、膜基结合强度低,高温下易发生化学键破坏,导致性能下降。向薄膜中添加异质元素是调控或提高DLC膜性能的有效方法。近日,省新材料研究所真空镀膜团队利用高功率脉冲磁控溅射复合中频磁控溅射技术制备了掺Si的纳米多层类金刚石(Si-DLC)薄膜,发现通过改变Si元素的含量可调控薄膜的摩擦学行为:低Si含量()的薄膜在界面处发生石墨化,起到润滑作用,降低磨损;高Si含量()的薄膜在摩擦过程中产生更多的sp3键,硬质颗粒分布在薄膜与对磨副之间,使薄膜的磨损率高于低Si含量状态。
由于DLC属亚稳态的材料,热稳定性差是限制DLC膜应用的一个重要因素,在300°C以上退火时即出现了sp3键向sp2键转变,为此,人们进行了大量的工作试图提高其热稳定性。有研究发现:Si的加入可以明显改善DLC膜的热稳定性,含20 at%Si的DLC膜在740°C退火时才出现sp3键向sp2键转变。同样,金属(如Ti、W、Cr)的掺入也可提高DLC膜的热稳定性,我们正在对这方面进行研究。纯DLC膜具有优异的耐蚀性,各类酸、碱甚至王水都很难侵蚀它。但掺杂有其他元素的DLC膜的耐蚀性有所下降,这是由于掺杂的元素首先被侵蚀,从而破坏了膜的连续性所致。
类金刚石DLC涂层应用。
类金刚石薄膜通常又被人们称为DLC薄膜,是英文词汇DiamondLikeCarbon的简称,它是一类性质近似于金刚石,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)。DLC薄膜的工程化应用工艺设计。上海冲压模DLC
类金刚石碳膜(DLC膜)的结构性质及其应用。宁波金属表面DLC技术
世界能源的1/2-1/3消耗于摩擦,机械零件80%失效原因是磨损;因此磨损是材料研究的重要命题;耐磨、减摩材料开发活跃,成为摩擦学研究的重点。摩擦学包括摩擦、磨损和润滑三部分。自从上世纪70年代DLC薄膜问世以来,经过几十年的发展和探索,逐渐形成了现在的物理沉积和化学气相沉积的DLC(类金刚石涂层)薄膜。早期的涂层以硬度作为主要指标,往往追求高硬度以获得较好的抗磨性能。但是这些镀层的摩擦系数普遍较高,以TiN为例其摩擦系数在干摩擦状态下一般在0.4以上。高硬度的薄膜往往具有较大的脆性,易剥落、开裂。当前涂层面临的挑战不仅应具有长的使用寿命而且有很好的自润滑功能。近年来,在保证镀层具有高硬度的前提下减小镀层摩擦系数的研究成为热点,耐磨减摩镀层的概念也随之引入。宁波金属表面DLC技术