Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Тонкая пленка ta-C на кремнии (диаметр 15 мм), имеющая области толщиной 40 нм и 80 нм.
Деталь клапана из сплава кобальта из добывающей нефтяной скважины (диаметр 30 мм), покрытая с правой стороны слоем ta-C , чтобы проверить дополнительную устойчивость к химическому и абразивному разрушению в рабочей среде.
Купол с DLC-покрытием для оптических и трибологических целей.

Алмазоподобный углерод ( DLC ) - это класс аморфного углеродного материала, который проявляет некоторые из типичных свойств алмаза . DLC обычно наносится в качестве покрытий на другие материалы, которые могут выиграть от некоторых из этих свойств. [1]

DLC существует в семи различных формах. [2] Все семь содержат значительное количество sp 3 -гибридизированных атомов углерода . Причина, по которой существуют разные типы, заключается в том, что даже алмаз можно найти в двух кристаллических политипах. Более распространенный из них имеет атомы углерода, расположенные в кубической решетке , в то время как менее распространенный, лонсдейлит , имеет гексагональную решетку . Путем смешивания этих политипов различными способами на наноразмерном уровне структуры можно получить покрытия из алмазоподобного углерода, которые в то же время являются аморфными, гибкими и в то же время чисто sp 3 связанными «алмазами». Самой твердой, прочной и гладкой является такая смесь, известная как тетраэдрический аморфный углерод (та-С).[ необходимая цитата ] Такой ta-C можно рассматривать как "чистую" форму DLC, поскольку он состоит только из атомов углерода, связанных sp 3 . Наполнители, такие как водород , графитовый углерод с sp 2 и металлы, используются в других 6 формах для снижения производственных затрат или для придания других желаемых свойств. [3] [4]

Различные формы алмазоподобного углерода можно наносить практически на любой материал, совместимый с вакуумной средой. В 2006 году рынок аутсорсинговых DLC-покрытий в Европейском Союзе оценивался примерно в 30 000 000 евро . В октябре 2011 года газета Science Daily сообщила, что исследователи из Стэнфордского университета создали сверхтвердый аморфный алмаз в условиях сверхвысокого давления, который не имеет кристаллической структуры алмаза, но имеет легкий вес, характерный для углерода . [5] [6]

Отличие от натурального и синтетического алмаза [ править ]

Встречающийся в природе алмаз почти всегда находится в кристаллической форме с чисто кубической ориентацией атомов углерода, связанных sp 3 . Иногда встречаются дефекты кристаллической решетки или включения атомов других элементов, которые придают цвет камню, но кристаллическая решетка атомов углерода остается кубической, а связь имеет чисто sp 3 . Внутренняя энергия кубического политипа немного ниже, чем у гексагональной формы, а скорость роста из расплавленного материала как в естественных, так и в объемных методах производства синтетических алмазов достаточно медленная, чтобы структура решетки успевала вырасти в форме с наименьшей энергией (кубической). что возможно для sp 3связывание атомов углерода. Напротив, DLC обычно получают с помощью процессов, в которых высокоэнергетические предшественники углерода (например, в плазме , при осаждении отфильтрованной катодной дугой , напылении и осаждении ионным пучком ) быстро охлаждаются или закаливаются на относительно холодных поверхностях. В этих случаях кубическая и гексагональная решетки могут быть перемешаны случайным образом, слой за атомным слоем, потому что у одной из кристаллических геометрий нет времени, чтобы вырасти за счет другой, прежде чем атомы «заморозятся» на месте в материале. АморфныйПокрытия DLC могут привести к получению материалов, которые не имеют дальнего кристаллического порядка. Без дальнего порядка не может быть плоскостей хрупкого разрушения, поэтому такие покрытия являются гибкими и конформными по форме, лежащей в основе покрытия, но при этом остаются твердыми, как алмаз. Фактически, это свойство было использовано для изучения атомного износа в наномасштабе в DLC. [7]

Производство [ править ]

СЭМ- изображение покрытой золотом копии алмазоподобного покрытия ta-C. Структурные элементы не являются кристаллитами, а представляют собой узелки атомов углерода с sp 3 связями. Зерна настолько малы, что поверхность на вид кажется зеркально гладкой.

Существует несколько методов получения алмазоподобного углерода , которые основаны на более низкой плотности sp 2, чем sp 3 углерода. Таким образом, приложение давления, удара, катализа или некоторой их комбинации в атомном масштабе может заставить атомы углерода с sp 2 связями сблизиться друг с другом в связи sp 3 . Это должно быть сделано достаточно энергично, чтобы атомы не могли просто отскочить назад и образовать промежутки, характерные для связей sp 2 . Обычно методы либо сочетают такое сжатие с проталкиванием нового кластера связанного sp 3 углерода глубже в покрытие, так что не остается места для обратного расширения до разделений, необходимых для sp 2.склеивание; или новый кластер похоронен из-за поступления нового углерода, предназначенного для следующего цикла столкновений. Разумно представить этот процесс как «град» снарядов, которые производят локализованные, более быстрые, наноразмерные версии классических комбинаций тепла и давления, которые производят природный и синтетический алмаз. Поскольку они возникают независимо во многих местах на поверхности растущей пленки или покрытия, они имеют тенденцию образовывать аналог улицы, вымощенной булыжником, где булыжники представляют собой узелки или скопления углерода, связанного sp 3 . В зависимости от конкретного используемого «рецепта»,есть циклы отложения углерода и удары или постоянные пропорции поступающего нового углерода и снаряды, передающие удары, необходимые для форсирования образования пр.3 облигации. В результате ta-C может иметь структуру улицы, вымощенной булыжником, или узелки могут «плавиться вместе», образуя нечто более похожее на губку, или булыжники могут быть настолько маленькими, что их почти не видно на изображении. Классическая «средняя» морфология пленки ta-C показана на рисунке.

Свойства [ править ]

Как следует из названия, алмазоподобный углерод (DLC), ценность таких покрытий определяется их способностью придавать некоторые свойства алмаза поверхностям практически из любого материала. Основными желательными качествами являются твердость, износостойкость и гладкость ( коэффициент трения пленки DLC по полированной стали составляет от 0,05 до 0,20 [8] ). Свойства алмазоподобного углерода сильно зависят от плазменной обработки [9] [10] параметров осаждения, таких как влияние напряжения смещения , [11] толщина покрытия алмазоподобного углерода , [12] [13] толщина прослойки , [14]и т.д. Кроме того, термообработка также изменяет свойства покрытия, такие как твердость, ударная вязкость и скорость износа. [15]

Однако то, какие свойства добавляются к поверхности и в какой степени, зависит от того, какая из 7 форм применяется, а также от количества и типов добавляемых разбавителей для снижения стоимости производства. В 2006 году Ассоциация немецких инженеров, VDI , крупнейшая инженерная ассоциация в Западной Европе, выпустила авторитетный отчет VDI2840 [16] , чтобы прояснить существующее множество сбивающих с толку терминов и торговых наименований. Он обеспечивает уникальную классификацию и номенклатуру алмазоподобных углеродных (DLC) и алмазных пленок. Ему удалось предоставить всю информацию, необходимую для идентификации и сравнения различных DLC-фильмов, предлагаемых на рынке. Цитата из этого документа:

Эти [sp 3 ] связи могут возникать не только с кристаллами - другими словами, в твердых телах с дальним порядком - но также и в аморфных твердых телах, где атомы расположены в случайном порядке. В этом случае связь будет только между несколькими отдельными атомами, а не в дальнем порядке, охватывающем большое количество атомов. Типы связи оказывают значительное влияние на свойства материала пленок из аморфного углерода. Если преобладает тип sp 2, пленка будет более мягкой, если преобладает тип sp 3, пленка будет более твердой.

Было обнаружено, что второстепенным фактором качества является фракционное содержание водорода. Некоторые методы производства включают водород или метан в качестве катализатора, и значительный процент водорода может оставаться в готовом материале с алмазоподобным углеродом. Если вспомнить, что мягкий пластик, полиэтилен , сделан из углерода, который связан исключительно алмазоподобными связями sp 3 , но также включает химически связанный водород, неудивительно, что доли водорода, остающиеся в пленках DLC, разрушают их. почти столько же, сколько остатков sp 2связанный углерод. Отчет VDI2840 подтвердил полезность размещения конкретного материала DLC на 2-мерной карте, на которой ось X описывает долю водорода в материале, а ось Y описывает долю атомов углерода, связанных sp 3 . Было подтверждено, что наивысшее качество алмазоподобных свойств коррелирует с близостью точки на карте, отображающей координаты (X, Y) конкретного материала, к верхнему левому углу в точке (0,1), а именно 0% водорода и 100 % sp 3 склеивание. Этот «чистый» алмазоподобный материал - это та-С, а другие являются приблизительными, которые разлагаются разбавителями, такими как водород, углерод с sp 2 связями и металлы. Ценные свойства материалов ta-C, или почти ta-C следуют.

Твердость [ править ]

СТМ- изображение поверхностей на краю слоя «алмазоподобного» покрытия ta-C толщиной 1 мкм на нержавеющей стали 304 после различной продолжительности галтовки в суспензии абразивного материала SiC 240 меш. Первые 100 мин показывают выглаживание от покрытия покрывающего слоя из мягкого углерода, которое было отложено после последнего цикла ударов, преобразовавших связи в sp 3 . На непокрытой части образца во время последующего переворачивания было удалено около 5 мкм стали, в то время как покрытие полностью защищало ту часть образца, которую оно покрыло.

Внутри «булыжников», конкреций, кластеров или «губок» (объемы, в которых локальное связывание составляет sp 3 ) валентные углы могут быть искажены по сравнению с углами, обнаруженными в чистой кубической или гексагональной решетке из-за их смешения. В результате возникает внутреннее (сжимающее) напряжение, которое может увеличивать твердость, измеренную для образца алмазоподобного углерода. Твердость часто измеряется методами наноиндентирования, при которых игла из натурального алмаза с тонким концом вдавливается в поверхность образца. Если образец настолько тонкий, что есть только один слой узелков, то игла может войти в слой алмазоподобного углерода между твердыми булыжниками и раздвинуть их, не ощущая твердости sp 3.скрепленные тома. Замеры были бы низкими. И наоборот, если щуп входит в пленку, достаточно толстую, чтобы иметь несколько слоев узелков, поэтому он не может распространяться в боковом направлении, или если он входит на поверхность булыжника одним слоем, то он будет измерять не только реальную твердость алмаза. соединение, но кажущаяся твердость даже больше, потому что внутреннее напряжение сжатия в этих узелках обеспечит дополнительное сопротивление проникновению иглы в материал. Измерения наноиндентирования показали, что твердость на 50% больше, чем значения для природного кристаллического алмаза. Поскольку игла в таких случаях притупляется или даже ломается, фактические цифры твердости, превышающие твердость природного алмаза, не имеют смысла. Они только показывают, что жесткие части оптимального ta-Cматериал сломает природный алмаз, а не наоборот. Тем не менее, с практической точки зрения не имеет значения, как достигается сопротивление материала алмазоподобного углерода, при использовании он может быть тверже природного алмаза. Одним из методов проверки твердости покрытия является маятник Persoz .

Склеивание покрытий DLC [ править ]

То же внутреннее напряжение, которое способствует твердости материалов DLC, затрудняет приклеивание таких покрытий к защищаемым подложкам. Внутренние напряжения пытаются «оторвать» DLC-покрытия от нижележащих образцов. На этот сложный недостаток чрезвычайной твердости можно ответить по-разному, в зависимости от особого «искусства» производственного процесса. Самый простой - использовать естественную химическую связь, которая происходит в случаях, когда падающие ионы углерода поставляют материал, который будет подвергнут воздействию sp 3- связанных атомов углерода, и энергии удара, которые сжимают ранее сконденсированные углеродные объемы. В этом случае первые ионы углерода будут воздействовать на поверхность покрываемого изделия. Если этот предмет изготовлен из карбидообразующего вещества, такого как Tiили Fe в стали образуется слой карбида, который позже связывается с DLC, выращенным поверх него. Другие методы соединения включают такие стратегии, как нанесение промежуточных слоев с атомными расстояниями, которые варьируются от таковых на подложке до тех, которые характерны для углерода, связанного sp 3 . В 2006 году было столько же успешных рецептов склеивания покрытий DLC, сколько было источников DLC.

Трибология [ править ]

Покрытия DLC часто используются для предотвращения износа из-за их превосходных трибологических свойств. DLC очень устойчив к абразивному и адгезионному износу, что делает его пригодным для использования в приложениях, которые испытывают экстремальное контактное давление как при качении, так и при контакте скольжения. DLC часто используется для предотвращения износа бритвенных лезвий и металлорежущих инструментов, включая режущие пластины токарных станков и фрезы . DLC используется в подшипниках , кулачках , толкателях кулачков и валах в автомобильной промышленности. Покрытия уменьшают износ в период обкатки, когда компоненты трансмиссии могут испытывать недостаток смазки .

DLC могут также использоваться в покрытиях-хамелеонах , которые предназначены для предотвращения износа во время запуска, орбиты и повторного входа космических аппаратов, запускаемых с суши. DLC обеспечивает смазывающую способность в окружающей атмосфере и в вакууме, в отличие от графита, который требует наличия влаги для смазывания. Изолированные углеродные частицы, внедренные в алмазоподобные углеродные покрытия, являются недавней разработкой [17] в этой области. Скорость износа аморфного алмазоподобного углерода может быть снижена до 60% за счет внедрения изолированных углеродных наночастиц, внедренных одновременно с осаждением алмазоподобного углерода. Изолированные частицы были созданы на месте путем быстрого тушения плазмы импульсами гелия. [18]

Несмотря на благоприятные трибологические свойства DLC, его следует использовать с осторожностью при работе с черными металлами. Если его использовать при более высоких температурах, основание или контрповерхность может науглероживаться , что может привести к потере функции из-за изменения твердости. Конечная температура конечного использования компонента с покрытием должна поддерживаться ниже температуры, при которой наносится покрытие DLC из ПВХ.

Электрооборудование [ править ]

Если DLC-материал достаточно близок к ta-C на графиках отношений связи и содержания водорода, это может быть изолятор с высоким значением удельного сопротивления. Возможно, более интересным является то, что если он приготовлен в «средней» версии из булыжника, такой как показано на приведенном выше рисунке, электричество проходит через него с помощью механизма прыжковой проводимости . В этом типе проводимости электричества электроны движутся посредством квантово-механического туннелирования между карманами проводящего материала, изолированными в изоляторе. В результате такой процесс делает материал чем-то вроде полупроводника . Необходимы дальнейшие исследования электрических свойств, чтобы объяснить такую ​​проводимость в ta-Cс целью определения его практической ценности. Однако было показано , что другое электрическое свойство излучательной способности проявляется на уникальных уровнях для ta-C . Такие высокие значения позволяют электронам испускаться из покрытых та-С электродов в вакуум или в другие твердые тела при приложении умеренных уровней приложенного напряжения. Это способствовало достижению важных достижений в области медицинских технологий.

Приложения [ править ]

При применении DLC обычно используется способность материала снижать абразивный износ. Компоненты инструментальной оснастки, такие как концевые фрезы , сверла , штампы и пресс-формы, часто используют алмазоподобный углеродный слой таким образом. DLC также используется в двигателях современных суперспортивных мотоциклов, гоночных автомобилей Формулы-1, транспортных средств NASCAR , а также в качестве покрытия на жестких дисках и считывающих головках жестких дисков для защиты от повреждений головой.. Практически все бритвы с несколькими лезвиями, используемые для влажного бритья, имеют края, покрытые не содержащим водорода алмазоподобным углеродом для уменьшения трения и предотвращения истирания чувствительной кожи. Он также используется в качестве покрытия некоторыми производителями оружия / оружейниками. Некоторые формы были сертифицированы в ЕС для общественного питания и находят широкое применение в высокоскоростных процессах обработки новых пищевых продуктов, таких как картофельные чипсы, и в управлении потоками материалов при упаковке пищевых продуктов в полиэтиленовую пленку. DLC покрывает режущие кромки инструментов для высокоскоростной сухой формовки сложных открытых поверхностей из дерева и алюминия , например, на приборных панелях автомобилей.

Износ, трение и электрические свойства DLC делают его привлекательным материалом для медицинских приложений. К счастью, DLC также обладают отличной биосовместимостью. Это позволило использовать многие медицинские процедуры, такие как чрескожное коронарное вмешательство с использованием брахитерапии, с использованием уникальных электрических свойств DLC. При низких напряжениях и низких температурах электроды, покрытые DLC, могут излучать достаточно электронов, чтобы их можно было разместить в одноразовых микрорентгеновских трубках размером с радиоактивные семена, которые вводятся в артерии или опухоли при традиционной брахитерапии . Такая же доза облучения может быть применена как изнутри, так и снаружи.с дополнительной возможностью включать и выключать излучение по заданной схеме для используемых рентгеновских лучей. Доказано, что DLC является отличным покрытием для продления жизни и уменьшения осложнений при замене тазобедренных суставов и искусственных колен. Он также успешно применяется для стентов коронарных артерий, снижая частоту тромбозов. Имплантируемый человеческий сердечный насос можно считать конечным биомедицинским приложением, в котором покрытие DLC используется на контактирующих с кровью поверхностях ключевых компонентов устройства.

Apple Watch [19] из нержавеющей стали Space Black покрыты алмазоподобным углеродом.

Экологические преимущества товаров длительного пользования [ править ]

Увеличение срока службы изделий с алмазоподобным покрытием, которые изнашиваются из-за истирания, можно описать формулой f = (g) µ , где g - число, которое характеризует тип алмазоподобного углерода, тип истирания, материал подложки и μ. - толщина DLC-покрытия в мкм. [20] Для "слабого" истирания (поршни в цилиндрах, рабочие колеса в насосах для жидкостей с песком и т. Д.), G для чистого ta-Cдля нержавеющей стали 304 - 66. Это означает, что толщина в один мкм (что составляет ≈5% толщины кончика человеческого волоса) увеличит срок службы покрытого изделия с недели до более года и двух мкм. толщина увеличила бы его с недели до 85 лет. Это измеренные значения; хотя в случае покрытия 2 мкм срок службы экстраполировался с момента последней оценки образца до износа самого устройства для испытаний.

Существуют экологические аргументы в пользу того, что устойчивая экономика должна поощрять проектирование продуктов с учетом долговечности - другими словами, иметь запланированную долговечность (противоположность запланированному устареванию). [21]

В настоящее время существует около 100 поставщиков покрытий из алмазоподобного углерода, которые содержат графит и водород и поэтому дают гораздо более низкие числа g, чем 66 на тех же подложках.

См. Также [ править ]

  • Химическое осаждение из паровой фазы
  • Катодно-дуговое напыление
  • Поли (гидридокарбин)

Ссылки [ править ]

  1. Перейти ↑ Robertson, J. (2002). «Алмазоподобный аморфный углерод». Материаловедение и инженерия: R: Отчеты . 37 (4–6): 129–281. CiteSeerX  10.1.1.620.3187 . DOI : 10.1016 / S0927-796X (02) 00005-0 .
  2. ^ Наименование Индекс углеродных покрытий Архивированных 2007-01-20 в Wayback Machine
  3. ^ Kržan, B .; и другие. (2009). «Трибологические свойства DLC-покрытия, легированного вольфрамом, при масляной смазке». Tribology International . 42 (2): 229–235. DOI : 10.1016 / j.triboint.2008.06.011 .
  4. ^ Евтух, АА; и другие. (2001). Легированные кремнием алмазоподобные углеродные пленки в качестве покрытия для улучшения автоэлектронной эмиссии . Материалы 14-й Международной конференции по вакуумной микроэлектронике . п. 295. DOI : 10,1109 / IVMC.2001.939770 . ISBN 978-0-7803-7197-2.
  5. ↑ Луи Бержерон (17 октября 2011 г.). «Аморфный алмаз - новая сверхтвердая форма углерода, созданная под сверхвысоким давлением» . Science Daily . Проверено 21 октября 2011 . Аморфный алмаз, не имеющий кристаллической структуры алмаза, но не менее твердый, был создан группой исследователей под руководством Стэнфорда. ... Эта однородная сверхтвердость в сочетании с легким весом, характерным для всех форм углерода, включая алмаз, может открыть интересные области применения, такие как режущие инструменты и износостойкие детали для всех видов транспорта.
  6. ^ Ю Лин, Ли Чжан, Хо-Кван Мао, Пол Чоу, Yuming Сяо, Мария Бальдини, Jinfu Шу, и Венди Л. Мао. «Аморфный алмаз: сверхтвердый углеродный аллотроп высокого давления». Письма с физическими проверками, 2011 г.
  7. ^ "Достижение сверхнизкого наномасштабного износа одного атома на микрометр" .
  8. ^ «Покрытия DLC - Алмазоподобные углеродные покрытия - Titankote - Технология HIPIMS» . www.richterprecision.com .
  9. ^ Wasy Абдул; Балакришнан, Г .; Ли, SH; Ким, JK; Kim, DG; Kim, TG; Песня, JI (2014). «Обработка металлической подложки аргоновой плазмой и влияние на свойства покрытия из алмазоподобного углерода (DLC)». Crystal Research and Technology . 49 : 55–62. DOI : 10.1002 / crat.201300171 .
  10. ^ Зия Абдул Wasy; Ван, И-ЦИ; Ли, Сынхун (2015). «Влияние физического и химического плазменного травления на смачиваемость поверхности полимерных композитов, армированных углеродным волокном, для применения в костных пластинах». Достижения в полимерной технологии . 34 : н / д. DOI : 10.1002 / adv.21480 .
  11. ^ Зия Абдул Wasy; Ли, Сынхун; Ким, Чен Кук; Ким, Тэ Гю; Песня, Юнг II (2014). «Оценка влияния напряжения смещения на свойства алмазоподобного углеродного покрытия, нанесенного на карбид вольфрама кобальта». Поверхностный и интерфейсный анализ . 46 (3): 152–156. DOI : 10.1002 / sia.5400 .
  12. ^ Васи, А .; Балакришнан, Г .; Lee, S .; Kim, J.-K .; Kim, TG; Песня, JI (2015). «Зависимые от толщины свойства алмазоподобных углеродных покрытий путем катодно-вакуумно-дугового осаждения с фильтром». Поверхностная инженерия . 31 (2): 85–89. DOI : 10.1179 / 1743294414Y.0000000254 .
  13. ^ Влияние толщины алмазоподобного углеродного покрытия на подложку из нержавеющей стали, Абдул Васи Зиа и др. ,
  14. ^ [1] [ постоянная мертвая ссылка ]
  15. ^ ZIA, Абдул Wasy; Чжоу, Чжифэн; По-ван, Шум .; Лоуренс Ли, Квак Ян (24 января 2017 г.). «Влияние двухступенчатой ​​термообработки на твердость, вязкость разрушения и износ различных алмазоподобных углеродных покрытий со смещением». Технология поверхностей и покрытий . 320 : 118–125. DOI : 10.1016 / j.surfcoat.2017.01.089 .
  16. ^ "Pressemitteilungen" . Архивировано из оригинала на 2007-05-28 . Проверено 26 октября 2006 .
  17. ^ Зия Абдул Wasy; Чжоу, Чжифэн; Ли, Лоуренс Квок-Ян (2017). «Предварительные исследования износа изолированных углеродных частиц, внедренных в алмазоподобные углеродные покрытия». Tribology International . 114 : 42–47. DOI : 10.1016 / j.triboint.2017.04.008 .
  18. ^ Зия Абдул Wasy; Чжоу, Чжифэн; Ли, Лоуренс Квок-Ян (2017). «Новый подход к созданию изолированных углеродных частиц путем распыления: подробное параметрическое исследование и концепция углеродных частиц, содержащих углеродные покрытия». Tribology International . 76 : 97–107. DOI : 10.1016 / j.diamond.2017.04.014 .
  19. ^ "Смотреть" . Apple Inc.
  20. ^ CB Collins, F. Davanloo; и другие. (1993). «Некристаллические пленки с химией, связью и свойствами алмаза». J. Vac. Sci. Technol. B . 11 (5): 1936. DOI : 10,1116 / 1,586525 .
  21. ^ «Построен на долгий срок: влияние запланированной прочности на окружающую среду» . GreenBiz.

Внешние ссылки [ править ]

  • « Алмазоподобные углеродные покрытия» в AZo Materials
  • «Избранные рукописи, которые мы опубликовали о некристаллических алмазных пленках» : библиография ранних работ над DLC.
  • «Алмазоподобный наконечник лучше самого лучшего» : недавние применения DLC в наномасштабе (1 марта 2010 г.)