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類金剛石(DLC)簡介

發布時間:2019-03-17瀏覽次數:2

類金剛石(DLC)簡介

類金剛石(英文:Diamond-likeCarbon 縮寫DLC)是一種非晶碳,這種材料表現出很多與金剛石相類似的性質,DLC常常作為涂層材料使用。

類金剛石的微觀結構

為了弄清楚類金剛石的概念,我們首先研究一下碳元素。

碳元素廣泛存在于自然界當中,我們平時看到的鉆石、石墨、富勒烯、碳納米管等等都是碳元素形成的。

碳元素有3種雜化鍵,sp1sp2sp3。這三種鍵的不同含量組合,構成不同形態的分子結構,從而表現出不同的性質。 

當碳原子以sp3鍵的雜化軌道行程共價鍵的時候,就會形成金剛石。當碳原子以sp2鍵的雜化軌道行程共價鍵的時候,就會形成石墨。當以碳原子sp2sp3鍵混合雜化的時候,形成的就是類金剛石了。


類金剛石常常是以薄膜形式使用的,類金剛石薄膜具有高硬度.高電阻率.良好光學性能等,同時又具有自身獨特摩擦學特性的非晶碳薄膜。碳元素因碳原子和碳原子之間的不同結合方式,從而使其最終產生不同的物質:金剛石(diamond)—碳碳以 sp3鍵的形式結合;石墨(graphite)—碳碳以sp2鍵的形式結合;而如同緒論里所述類金剛石(DLC)—碳碳則是以sp3和 sp2鍵的形式結合,生成的無定形碳的一種亞穩定形態,它沒有嚴格的定義,可以包括很寬性質范圍的非晶碳,因此兼具了金剛石和石墨的優良特性;所以由類金剛石而來的DLC膜同樣是一種亞穩態長程無序的非晶材料,碳原子間的鍵合方式是共價鍵,主要包含sp2和sp3兩種雜化鍵,而在含氫的DLC膜中還存在一定數量的C-H鍵。

由兩個相同或不相同的原子軌道沿軌道對稱軸方向相互重疊而形成的共價鍵,叫做σ鍵。σ鍵是原子軌道沿軸方向重疊而形成的,具有較大的重疊程度,因此σ鍵比較穩定。σ鍵是能圍繞對稱軸旋轉,而不影響鍵的強度以及鍵跟鍵之間的角度(鍵角)。根據分子軌道理論,兩個原子軌道充分接近后,能通過原子軌道的線性組合,形成兩個分子軌道。其中,能量低于原來原子軌道的分子軌道叫成鍵軌道,能量高于原來原子軌道的分子軌道叫反鍵軌道。以核間軸為對稱軸的成鍵軌道叫σ軌道,相應的鍵叫σ鍵。以核間軸為對稱軸的反鍵軌道叫σ*軌道,相應的鍵叫σ*鍵。分子在基態時,構成化學鍵的電子通常處在成鍵軌道中,而讓反鍵軌道空著。σ鍵是共價鍵的一種。它具有如下特點:第一點,σ鍵有方向性,兩個成鍵原子必須沿著對稱軸方向接近,才能達到最大重疊;第二點,成鍵電子云沿鍵軸對稱分布,兩端的原子可以沿軸自由旋轉而不改變電子云密度的分布;第三點,σ鍵是頭碰頭的重疊,與其它鍵相比,重疊程度大,鍵能大,因此,化學性質穩定。共價單鍵是σ鍵,共價雙鍵有一個σ鍵,π鍵,共價三鍵由一個σ鍵,兩個π鍵組成。

類金剛石的類型


類金剛石薄膜(DLC)是1種非晶薄膜,可分為無氫類金剛石碳膜(a-C)和氫化類金剛石碳膜(a-C:H)(圖2)兩類 。無氫類金剛石碳膜有a-C膜(主要由sp3和sp2鍵碳原子相互混雜的三維網絡構成),以及四面體非晶碳(tetrahedral carbon,簡稱ta-C)(主要由超過80%的sp3鍵碳原子為骨架構成);氫化類金剛石碳膜(a-C:H)又可分為類聚合物非晶態碳(polymer—like carbon,簡稱PLC)、類金剛石碳、類石墨碳3種,其三維網絡結構中同時還結合一定數量的氫.

類聚合物非晶態碳是含氫金剛石薄膜的一種它是非晶體又有類似于聚合物那種通過相同簡單的結構單元通過共價鍵重復連接而成的化合物。這種類金剛石薄膜因為sp2鍵占據了主要數量,所以比較軟,又不具備石墨的特性,使得它的用途受到了限制,在摩擦學的應用上還處在起步階段。

類金剛石碳膜(diamond-like carbon films,簡稱DLC膜),是含有類似金剛石結構的非晶碳膜,也是我們在這里真正需要介紹的一種。DLC膜的基本成分是碳,由于其碳的來源和制備方法的差異,DLC膜可分為含氫和不含氫兩大類。DLC膜是一種亞穩態長程無序的非晶材料,碳原子間的鍵合方式是共價鍵,主要包含sp2和sp3兩種雜化鍵,在含氫DLC膜中還存在一定數量的C-H鍵。我們從1996年起開始磁過濾真空弧及沉積DLC膜研究,正在完善工業化技術。如等離子體源沉積法、離子束源沉積法、孿生中頻磁控濺射法、真空陰極電弧沉積法和脈沖高壓放點等。不同的制備方法,DLC膜的成分、結構和性能不同。

類金剛石碳膜(Diamond-like carbon films,簡稱DLC膜)作為新型的硬質薄膜材料具有一系列優異的性能,如高硬度、高耐磨性、高熱導率、高電阻率、良好的光學透明性、化學惰性等,可廣泛用于機械、電子、光學、熱學、聲學、醫學等領域,具有良好的應用前景。我們開發了等離子體-離子束源增強沉積系統,并同過該系統中的磁過濾真空陰極弧和非平衡磁控濺射來進行DLC膜的開發。

該項技術廣泛用于電子、裝飾、宇航、機械和信息等領域,用于摩擦、光學功能等用途。目前在我國技術正處于發展和完善階段,有巨大市場潛力。

類石墨碳是含氫類金剛石中的最后一類,它具有類似于石墨的特性,sp2在含量較高在百分之七十左右。現代,類金剛石碳膜因同時具有高硬度和低摩擦系數而引起廣泛關注, 然而, 它與工業中常用的鐵基材料存在“ 觸媒效應” ,即, 鍍的刀具在加工黑色金屬的過程中高硬度砂鍵會轉化成軟的護鍵, 使耐磨性急劇下降, 因此限制了它的應用范圍年限, 柳襄懷等采用離子束輔助沉積功技術制備出了用于滿足電磁功能要求的“ 石墨化” 的膜年, 提出存在高硬度“碳結構”,其后,英國及公司采用全封閉非平衡磁控濺射制備出了高硬度碳膜專利一鍍層閱研究表明一以砂結構為主, 在與鋼鐵材料摩擦時未出現“ 觸媒效應” 且硬度適中、摩擦系數小、比磨損率較低一個數量級, 具有極其優越的摩擦學性能碳膜的結構和性能很大程度上與其制備工藝有關方法便于控制輔助轟擊參數以改變鍍層的結構, 磁控濺射沉積速率較高, 可制備厚鍍層,此類碳膜既非又非普通石墨, 暫稱之為類石墨碳膜。


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