Войти
Тонкая пленка ta-C на кремнии (диаметром 15 мм) с областями 40 нм и толщиной 80 нм. 
Деталь клапана из 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 
Купол, покрытый алмазоподобным углеродом для оптических и трибологических целей. Алмазоподобный углерод (DLC ) представляет собой материал класса аморфный углерод, который отображает некоторые из типичных свойств алмаза. DLC обычно наносится в качестве покрытий на другие материалы, которые могут выиграть от некоторых из этих свойств.
DLC существует в семи различных формах. Все семь содержат значительные количества sp гибридизованных атомов углерода. Причина, по которой существуют разные типы, заключается в том, что даже алмаз можно найти в двух кристаллических политипах. У более распространенного из них атомы углерода расположены в кубической решетке, в то время как у менее распространенного, лонсдейлита, есть гексагональная решетка. Путем смешивания этих политипов различными способами на наноразмерном уровне структуры можно получить DLC-покрытия, которые в то же время будут аморфными, гибкими и в то же время чисто sp-связанными «алмазами». Самой твердой, прочной и гладкой является такая смесь, известная как тетраэдрический аморфный углерод (та-С). Например, покрытие ta-C толщиной всего 2 мкм увеличивает стойкость обычной (например, тип 304) нержавеющей стали к абразивному износу, изменяя срок ее службы при такой эксплуатации с одной недели до 85 лет. Такой та-С можно рассматривать как «чистую» форму DLC, поскольку он состоит только из атомов углерода с sp-связями. Наполнители, такие как водород, графитовый углерод и металлы, используются в других 6 формах для снижения производственных затрат или для придания других желаемых свойств.
Различные формы DLC могут применяться для практически любой материал, совместимый с вакуумной средой. В 2006 г. рынок аутсорсинговых DLC-покрытий в Европейском Союзе оценивался примерно в 30 000 000 евро. В октябре 2011 года Science Daily сообщила, что исследователи из Стэнфордского университета создали сверхтвердый аморфный алмаз в условиях сверхвысокого давления, в котором отсутствует кристаллическая структура алмаза <142.>, но имеет легкий вес, характерный для углерода.
Встречающийся в природе алмаз почти всегда находится в кристаллической форме с чисто кубической ориентацией sp-связанных атомов углерода. Иногда встречаются дефекты кристаллической решетки или включения атомов других элементов, которые придают цвет камню, но кристаллическая решетка атомов углерода остается кубической, а соединение чисто пр. Внутренняя энергия кубического политипа немного ниже, чем у гексагональной формы, и скорости роста из расплавленного материала как в естественных, так и в объемных синтетических методах производства алмаза являются достаточно медленными, чтобы структура решетки успевает вырасти в наиболее низкоэнергетической (кубической) форме, которая возможна для sp-связывания атомов углерода. Напротив, DLC обычно получают с помощью процессов, в которых высокоэнергетические предшественники углерода (например, в плазме, в фильтрованном катодно-дуговом осаждении, в напылении и в ионно-лучевое осаждение ) быстро охлаждают или закаливают 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 для роста за счет другой, прежде чем атомы «заморозятся» на месте в материале. Аморфные DLC-покрытия могут приводить к образованию материалов, не имеющих 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.
SEM изображение покрытой золотом копии Ta-C "алмаза- вроде "покрытие. Структурные элементы не являются кристаллитами, а представляют собой узелки атомов углерода с sp-связями. Зерна настолько малы, что поверхность кажется зеркально гладкой для глаза. Существует несколько методов получения алмазоподобного углерода, которые основаны на более низкой плотности sp, чем sp-углерод. Таким образом, приложение давления, удара, катализа или некоторой их комбинации в атомном масштабе может заставить sp-связанные атомы углерода сблизиться друг с другом в sp-связи. Это должно быть сделано достаточно энергично, чтобы атомы не могли просто разлететься на разрывы, характерные для sp-связей. Обычно методы либо сочетают такое сжатие с проталкиванием нового кластера sp-связанного углерода глубже в покрытие, так что не остается места для обратного расширения к разрывам, необходимым для sp-связывания; или новый кластер захоронен из-за поступления нового углерода, предназначенного для следующего цикла ударов. 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 булыжника, где булыжники представляют собой узелки или скопления sp-связанного углерода. В зависимости от конкретного используемого «рецепта» существуют циклы отложения углерода и ударов или постоянные пропорции поступающего нового углерода и снарядов, передающих удары, необходимые для форсирования образования sp-связей. 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 визуализация. На рисунке показана классическая «средняя» морфология пленки ta-C.
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 DLC-пленки относительно полированной стали составляет от 0,05 до 0,20). Свойства алмазоподобного углерода сильно зависят от параметров осаждения, таких как эффект напряжения смещения, алмазоподобного углерода и т. Д. Более того, термическая обработка также изменяет свойства покрытия, такие как твердость, ударная вязкость и скорость износа.
Однако, какие свойства добавляются к поверхности и в какой степени зависит от того, какая из 7 форм применяется, а также от количества и типов добавленных разбавителей для снижения стоимости производства. В 2006 году Ассоциация немецких инженеров VDI, крупнейшая инженерная ассоциация в Западной Европе, выпустила авторитетный отчет VDI2840, 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] 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 sp-тип, пленка будет мягче, если sp-тип преобладает, пленка будет тверже.
Было обнаружено, что второстепенным определяющим фактором качества является фракционное содержание водорода. Некоторые из способов производства включают водород или метан в качестве катализатора, и значительный процент водорода может оставаться в готовом DLC-материале. Если вспомнить, что мягкий пластик полиэтилен изготовлен из углерода, который связан исключительно алмазоподобными sp-связями, но также включает химически связанный водород, неудивительно, что доля оставшегося водорода в DLC-пленках разлагают их почти так же, как и остатки sp-связанного углерода. 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. Было подтверждено, что наивысшее качество алмазоподобных свойств коррелирует с близостью точки на карте, отображающей координаты (X, Y) конкретного материала в верхнем левом углу в точке (0,1), а именно 0% водорода и 100% sp-связывания. Этот «чистый» алмазоподобный материал - это та-С, а другие являются приблизительными, которые разлагаются разбавителями, такими как водород, sp-связанный углерод и металлы. Далее следуют ценные свойства материалов, относящихся к та-С или почти к та-С.
STM изображение поверхностей на краю слоя ta-C «алмазоподобного» покрытия толщиной 1 мкм на нержавеющей стали 304 после различной продолжительности перемешивания в суспензии 240 сетка SiC абразивная. Первые 100 мин показывают выглаживание от покрытия покрывающего слоя из мягкого углерода, которое было отложено после последнего цикла ударов, превращающих связи в пр. На непокрытой части образца во время последующей галтовки было удалено около 5 мкм стали, в то время как покрытие полностью защищало ту часть образца, которую оно покрыло. Внутри «булыжников», узелков, скоплений или «губок» ( объемы, в которых локальная связь является sp) валентными углами могут быть искажены по сравнению с углами, обнаруженными либо в чистой кубической, либо в гексагональной решетке из-за их смешения. В результате возникает внутреннее (сжимающее) напряжение, которое может увеличивать твердость, измеренную для образца алмазоподобного углерода. Твердость часто измеряют методами наноиндентирования, в которых тонко заостренный иголок из природного алмаза 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-скрепленных объемов. 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 будет обеспечивать 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 твердые части оптимального материала ta-C разрушают природный алмаз, а не наоборот. Тем не менее, с практической точки зрения, не имеет значения, как повышается сопротивление материала DLC, он может быть более твердым, чем природный алмаз. Одним из методов испытания твердости покрытия является использование маятника Персоза.
. То же внутреннее напряжение, которое способствует твердости материалов DLC, затрудняет приклеивание таких покрытий к поверхности. субстраты, которые необходимо защитить. Внутренние напряжения пытаются «оторвать» DLC-покрытия от нижележащих образцов. На этот серьезный 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 должен быть подвергнут воздействию sp-связанных атомов углерода, и воздействующие энергии, которые сжимают ранее сконденсированные углеродные объемы. В этом случае первые ионы углерода будут воздействовать на поверхность покрываемого изделия. Если этот элемент изготовлен из вещества, образующего карбид, такого как Ti или Fe в стали, образуется слой карбида, который позже прикрепляется к DLC, выращенному поверх него. Другие методы соединения включают в себя такие стратегии, как нанесение промежуточных слоев с атомными расстояниями, которые варьируются от таковых на подложке до характерных для sp-связанного углерода. В 2006 году было столько же успешных рецептов склеивания покрытий DLC, сколько и источников DLC.
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 скольжении. DLC часто используется для предотвращения износа бритвенных лезвий и металлорежущих инструментов, включая 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 нехватку смазки.
DLC могут также использоваться в покрытиях хамелеона, которые предназначены для предотвращения износа во время запуска., орбита и возвращение космических аппаратов на сушу. DLC обеспечивает смазывающую способность в окружающей атмосфере и в вакууме, в отличие от графита, для смазывания которого требуется влага. Изолированные углеродные частицы, встроенные в алмазоподобное углеродное покрытие, являются недавней разработкой в этой области. Скорость износа аморфного алмазоподобного углерода может быть снижена до 60% за счет внедрения изолированных углеродных наночастиц одновременно с осаждением алмазоподобного углерода. Изолированные частицы были созданы на месте путем быстрого гашения плазмы импульсами гелия.
Несмотря на благоприятные трибологические свойства DLC, его следует использовать с осторожностью на черных металлах. Если он используется при более высоких температурах, подложка или контрповерхность могут 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 PVC DLC.
Если материал DLC достаточно близок к ta-C на графиках соотношений связей 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 рисунке выше, электричество пропускается через него с помощью механизма скачкообразной проводимости. В этом типе проводимости электричества электроны перемещаются посредством квантово-механического туннелирования между карманами из 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-C, чтобы определить ее практическую ценность. 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 поддержало важные достижения в области медицинских технологий.
Применения DLC обычно используют способность материала уменьшать абразивный износ. Компоненты инструмента, такие как концевые фрезы, сверла, штампы и пресс-формы, часто используют алмазоподобный слой таким образом. DLC также используется в двигателях современных суперспортивных мотоциклов, гоночных автомобилей Формулы 1, автомобилей NASCAR, а также в качестве покрытия на жестких дисках пластинах и считывающих головках жестких дисков для защиты от разбивается голова. 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 предприятий 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 высокоскоростного сухого формования сложных открытых поверхностей из дерева и алюминия, например, на приборных панелях автомобилей.
Износостойкость, трение и электрические свойства DLC делают его привлекательным материалом для медицинских применений. К счастью, DLC также обладают отличной биосовместимостью. Это позволило использовать многие медицинские процедуры, такие как чрескожное коронарное вмешательство с использованием брахитерапии, чтобы извлечь выгоду из 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. Та же самая доза предписанного излучения может быть применена изнутри, с дополнительной возможностью включать и выключать излучение по предписанной 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 рассматривать как крайнее биомедицинское приложение, в котором покрытие DLC используется на контактирующих с кровью поверхностях ключевых компонентов устройства.
Apple Watch из нержавеющей стали Space Black покрыты алмазоподобным углеродом.
Увеличение срока службы изделий с алмазоподобным покрытием, которые изнашиваются из-за истирания, можно описать формулой f = (g), где g - число, которое характеризует тип DLC, тип истирания, материал подложки, а μ - толщина DLC-покрытия в мкм. Для «слабого» абразивного истирания (поршни в цилиндрах, рабочие колеса в насосах для жидкостей с песком и т. Д.) G для чистого ta-C на нержавеющей стали 304 составляет 66. Это означает, что толщина 1 мкм (что составляет ≈5% от толщина кончика человеческого волоса) увеличила бы срок службы покрытого изделия с недели до более года, а толщина двух мкм увеличила бы его с недели до 85 лет. Это измеренные значения; хотя в случае покрытия 2 мкм срок службы был экстраполирован 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 расчетом на долговечность - другими словами, иметь запланированную долговечность (противоположность запланированному устареванию).
В настоящее время существует около 100 сторонних поставщиков покрытий из алмазоподобного углерода, содержащих графит и водород, дают гораздо более низкие числа g, чем 66 на тех же подложках.
