DLC

常見的製備DLC 薄膜的方法有真空蒸發、濺射、等離子體輔助化學氣相沉積、離子注入

等。這些方法中, 傳統的真空蒸發鍍膜法具有較高的沉積速度, 生成的薄膜純度高, 但由於熱蒸發的原子或分子在基板上能量很低(約02 eV ), 其表面遷移率很低, 導致薄膜與基體結合強度差, 加上已經沉積的原子對後來飛到的原子會造成陰影效果, 使得真空蒸發鍍膜技術的應用受到很大的限制。離子注入法能使材料的摩擦因數、耐磨性、耐腐蝕性等發生顯著變化, 而且注入層與基體材料之間沒有清晰的界面, 因而與基體結合牢固, 表面不存在粘附破裂或剝落。然而, 離子注入的注入層太薄, 僅數百納米, 在耐磨工況下應用受到一定限制。

為了克服真空蒸發鍍膜法結合力差以及離子注入法注入層淺的問題, 科研人員把薄膜蒸發沉積與離子注入技術結合起來, 研究出了真空蒸發離子束輔助沉積技術[ 5, 6]。該技術在用蒸發源(電子束) 將元素沉積在基片上的同時, 用離子轟擊鍍層, 以獲得比離子注入層更厚、比蒸發鍍膜法附著力更大的高性能緻密膜層。因此這種方法有利於增強薄膜的摩擦學性能。本文作者用真空蒸發離子束輔助鍍膜的方法製備了DLC薄膜, 測試了其摩擦學性能, 並對DLC 薄膜的表面形貌對其摩擦學行為的影響進行了研究。

彈簧鋼及T i6A l4V球表面經真空蒸發離子束輔助鍍膜處理后形成了光滑、緻密的DLC薄膜, 摩擦學試驗結果表明, DLC 薄膜降低了基體材料的摩擦因數, 改善了摩擦學性能。磨損表面的SEM 和AFM 分析表明, DLC 薄膜的表面磨損較軸承鋼為輕, 表現出輕微的磨損痕迹, 表明彈簧鋼基體經真空蒸發離子束輔助技術處理后, 表面摩擦學性能獲得顯著改善。AFM 分析還表明, T i6A l4V 球表面鍍DLC 薄膜后，磨痕表面比磨損前原始表面平整光滑, 表面粗糙度小, 其摩擦學性能在摩擦過程中進一步得到改善。

Diamond-like carbon

碳素的天然結構有兩種，空間立體結構（金剛石）和平面網狀結構（石墨），而兩者共存的結構就是DLC，其實DLC的定義是具有非晶質（amorphous）結構的碳素。所以，DLC的定義非常廣泛，只要含有碳元素，而且是非晶質結構（沒有固定的結構形態），那麼它就是DLC，不管裡面還摻雜有其它元素什麼的，統統都叫DLC。

1、力學性能

a.硬度及彈性模量。不同的沉積方法製備的DLC膜硬度及彈性模量差異很大，用磁過濾陰極電弧法可以製備出硬度達到甚至超過金剛石的DLC膜，廣州有色金屬研究院用陰極電弧法製備的DLC膜最高硬度可達50GPa以上，而用離子源結合非平衡磁控濺射法製備的DLC膜硬度達21GPa。膜層內的成分對膜層的硬度有一定的影響， Si、N的摻入可以提高DLC膜的硬度。DLC膜具有較高的彈性模量，雖低於金剛石（110GPa），但明顯高於一般金屬和陶瓷的彈性模量。

b.內應力和結合強度。薄膜的內應力和結合強度是決定薄膜的穩定性和使用壽命，影響薄膜性能的兩個重要因素，內應力高和結合強度低的DLC膜容易在應用中產生裂紋、褶皺，甚至脫落，所以製備的DLC膜最好具有適中的壓應力和較高的結合強度。大部分研究表明，直接在基體上沉積的DLC膜的膜/基結合強度一般比較低，廣州有色金屬研究院通過採用Ti/TiN/TiCN/TiC中間梯度過渡層的方法提高DLC膜與基體的結合強度，在模具鋼上沉積DLC膜的結合強度達44N-74N，製備的膜導總體厚度可達5um。

2、摩擦性能

DLC膜不僅具有優異的耐磨性，而且具有很低的摩擦係數，一般低於0.2，是一種優異的表面抗磨損改性膜。DLC的摩擦係數隨製備工藝的不同和膜中成分的變化而變化，其摩擦係數最低可達0.005。摻雜金屬元素可能降低其摩擦係數，但加入H能提高潤滑作用，環境也對摩擦係數有一定的影響。但總的來說，DLC膜與傳統的硬質薄膜（如上述的TiN、TiC、TiAlN等）相比，在摩擦係數方面具有明顯優勢，這些傳統硬質薄膜的摩擦係數都在0.4以上。因此，DLC膜有可能在許多摩擦學領域替代這些傳統硬膜。廣州有色金屬研究院製備的摻金屬DLC膜具有良好的抗摩擦磨損性能及低達0.13-0.15的摩擦係數。

3、熱穩定性

由於DLC屬亞穩態的材料，熱穩定性差是限制DLC膜應用的一個重要因素，在300℃以上退火時即出現了sp3鍵向sp2鍵轉變，為此，人們進行了大量的工作試圖提高其熱穩定性。有研究發現：Si的加入可以明顯改善DLC膜的熱穩定性，含20 at%Si的DLC膜在740℃退火時才出現sp3鍵向sp2鍵轉變。同樣，金屬（如Ti、W、Cr）的摻入也可提高DLC膜的熱穩定性，我們正在對這方面進行研究。

4、耐腐蝕性

純DLC膜具有優異的耐蝕性，各類酸、鹼甚至王水都很難侵蝕它。但摻雜有其他元素的DLC膜的耐蝕性有所下降，這是由於摻雜的元素首先被侵蝕，從而破壞了膜的連續性所致。

5)表面狀態

DLC膜表面一般較光潔，對基材的表面光潔度沒有太大的影響，但隨著膜厚的增加，表面光潔度會下降。不同的沉積方法所得到的DLC膜表面光潔度也是不同的，廣州有色金屬研究院採用離子源技術沉積的DLC膜表面質量明顯優於電弧離子鍍。

DLC膜具有很好的抗粘結性，特別是對有色金屬（如銅、鋁、鋅等），對塑料、橡膠、陶瓷等也有抗粘結性。

(1)鑽頭、銑刀

DLC膜可以應用於鑽頭和銑刀上，特別是摻雜金屬的DLC膜，它不僅具有高的硬度，還具有低的摩擦係數、抗有色金屬粘結。荷蘭的Hauzer公司製備的摻金屬DLC膜層，用於切削高強度鋁合金時，能減少表面所謂的切屑瘤（BUE）。結果是延長工具的壽命並使工件材料在切削后表面光滑。特別是在干切削和深孔加工方面，膜層性能非常好。廣州有色金屬研究院也進行了在銑刀上鍍TiAlN+DLC膜，在加工有色金屬時明顯提高使用壽命及加工質量。

(2)光碟模具及其輔助模具

光碟模具是生產CD、CDR、DVD的重要工具，為了減少它與母盤（鎳盤）的摩擦，希望模具表面硬且摩擦係數小，目前，國外大多採用DLC膜層，大大提高了模具的壽命和碟片的質量。我們製備的DLC膜層也開始用於該領域，並取得了成功。圖2為廣州有色金屬研究院製備的DLC膜層光碟模具模仁，其壽命已達開閉合200萬次以上（無塗層模具只有50萬次左右）。同時在其輔助模具上鍍DLC膜，其壽命也達到了配套使用的要求。

鍍膜之後有硬度高，摩擦係數低，耐磨，耐腐蝕，抗粘結性好且環保等特點。

盤模具輔助沖模

(3)芯軸

DLC膜的耐磨減摩及耐腐蝕性，可顯著提高齒輪、芯軸等運動部件的使用性能及壽命。圖3為廣州有色金屬研究院製備的DLC膜層芯軸，其壽命延長了3倍以上，耐腐蝕性提高4倍以上。

(4)刀片上的應用

現在DLC也在各種刀片如剪刀、刮鬍刀等上的應用。DLC膜減小了刀片與皮膚的摩擦，改善了刀片的性能，延長了使用壽命。圖4為廣州有色金屬研究院開發的DLC膜理髮剪刀片，利用DLC膜優越的摩擦性能，明顯提高刀片的使用壽命，特別是降低表面摩擦係數后，減小噪音，非常受用戶歡迎。

(5)關鍵零部件上的應用

DLC膜在許多關鍵零部件也能發揮其優良的性能，如在製成式斯特林製冷機的活塞上的應用（如圖5）利用其低的摩擦係數，降低摩擦力，提高耐磨性，達到無油潤滑及使用壽命要求。

在縫紉機配件-旋梭上鍍DLC膜（如圖6）替代原來的電鍍硬鉻處理，不但避免了污染環境的問題，而且，明顯提高工件表面硬度及耐磨性，使用壽命提高了10倍以上，同時，也因表面膜層摩擦係數降低后，使機器運行過程中產生的噪音變小。

(6)其它應用

DLC膜在工模具上的應用其它例子非常多，如：粉末冶金成型模具、塑膠成型模具、引線框彎曲模具、玻璃片成型模具、鎂合金加工模具、在軸承等。