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郑州华晶金刚石股份有限公司

科普:类金刚石薄膜

关键词 金刚石 , 薄膜 , 石墨|2018-11-13 10:36:40|来源 网络
摘要 类金刚石薄膜又称山膜。碳的一种亚稳态,组成主要是碳,也含有氢,其量随工艺条件而异,最多时可达20%。类金刚石具有很高的硬度、高导热性、高绝缘性、良好的化学稳定性、从红外到紫外的高光...

       类金刚石薄膜又称山膜。碳的一种亚稳态,组成主要是碳,也含有氢,其量随工艺条件而异,最多时可达20%。类金刚石具有很高的硬度、高导热性、高绝缘性、良好的化学稳定性、从红外到紫外的高光学透过率等。这与金刚石相似,但其性能数值均低于金刚石膜。类金刚石膜已开始用作耐磨涂层。

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       类金刚石碳(DLC)是非晶结构,碳原子主要以sp3和sp2杂化键结合。含氢DLC又称为α-C:H,其中氢含量在20%到50%之间。无氢类金刚石膜包括无氢非晶碳(α-C)和四面体非晶碳(ta-C)膜。α-C膜含有一些sp3键;ta-C膜中以sp3键为主(sp3>70%)。

       结构

       类金刚石薄膜通常又被人们称为DLC薄膜,是英文词汇Diamond Like Carbon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,从而使其最终产生不同的物质.

       分类

       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)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-likecarbon 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-likecarbon 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。

 

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