Diamantlignende kulstof ( engelsk Diamond-like carbon (DLC) , diamantlignende belægning (APP) ) er et materiale lavet af amorft kulstof , med overvejende tetraedriske kulstofbindinger. Har nogle af en diamants egenskaber . Anvendes i form af hårde belægninger til at beskytte overfladerne på andre materialer [1] .
Der er syv forskellige former for DLC [2] . Alle indeholder en betydelig mængde sp 3 - hybridiserede carbonatomer. Grunden til eksistensen af forskellige former er, at selv en diamant kan findes i en af to krystalpolytyper . Atomerne i almindelig diamant er organiseret i et kubisk gitter , og dets sjældne modifikation ( lonsdaleite ) har en sekskantet struktur. Som et resultat af at blande disse to typer på forskellige måder på nanoskalaen opstår en diamantlignende amorf struktur. Tynde film af dette materiale er fleksible. Den hårdeste, stærkeste anti-friktionsstruktur er strukturen kendt som tetraedrisk amorft kulstof (ta-C). For eksempel øger en belægning af ta-C kun 2 mikron tyk på grund af sin hårdhed slidstyrken af almindeligt rustfrit stål, og levetiden kan øges fra en uge til 85 år. Den tetraedriske form kan betragtes som "ren" diamantlignende kulstof, da den kun består af sp 3 -bundne atomer. Industrielt fremstillede diamantlignende belægninger indeholder urenheder, der både opstår som følge af mangler i filmproduktionsmetoder og introduceres bevidst for at give dem visse egenskaber. Forskellige former for DLC kan anvendes på stort set ethvert materiale, der er kompatibelt med vakuumaflejring.
Naturligt forekommende diamant er næsten altid i krystallinsk form med en rent kubisk sp 3 orientering af bundne carbonatomer. Nogle gange er der defekter i krystalgitteret eller inklusion af atomer af andre grundstoffer, som giver farve til stenen, men arrangementet af kulstof i gitteret forbliver kubisk med en sp 3 binding. Den indre energi af kubiske polytyper er lidt mindre end den for hexagonale former , og væksthastigheden af en krystal fra smeltet materiale i naturlig og masseproduktion af syntetiske diamanter er langsom nok til, at gitterstrukturen vokser i en lav (kubisk) energiform, hvilket er muligt for sp 3 bindinger af carbonatomer. I modsætning hertil fremstilles DLC-belægninger typisk ved processer, hvor kulstofatomer hurtigt afkøles og slukkes på relativt kolde overflader ved høj energi. Sådanne processer kan for eksempel være i plasma , i filtreret katode-bueaflejring , i sputtering og ionstråleaflejring .
I disse tilfælde kan de kubiske og sekskantede gitter blandes tilfældigt, atomlag for atomlag, fordi der ikke er tid til, at den ene af krystalgeometrierne vokser på bekostning af den anden, før atomerne er frosset fast i materialet. Amorfe DLC'er kan resultere i materialer, der ikke har langtrækkende krystallinsk orden. Uden lang rækkefølge er der ingen sprøde revneplaner. Derfor er sådanne belægninger fleksible og konformt belagt til basisformen, men samtidig så stærke som diamant. Faktisk er denne egenskab blevet brugt til at studere slid atom for atom på nanoskala i DLC. [3]
Følgende metoder til at opnå diamantlignende kulstof er kendt: [4]
Som navnet antyder, kommer DLC's værdi fra dens evne til at bringe nogle af egenskaberne ved diamant til overfladen af stort set ethvert materiale. De vigtigste ønskværdige kvaliteter er hårdhed, slidstyrke og glathed (friktionskoefficienten for en APP-film mod poleret stål varierer fra 0,05 til 0,20 [5] ). Egenskaberne af denne belægning afhænger i høj grad af deponeringsmetoden [6] [7] , deponeringsparametre (substratets elektriske forskydningsspænding [8] , DLC-belægningstykkelse [9] [10] , underlagets tykkelse osv.). Derudover ændrer varmebehandling også belægningsegenskaber såsom hårdhed, sejhed og slidhastighed. [elleve]
Typerne af interatomiske bindinger har en betydelig indflydelse på materialeegenskaberne af amorfe kulstof tynde film. Hvis sp 2 type er til stede, så vil filmen være blødere, hvis sp 3 type er til stede, så vil filmen være mere stiv [12] . Tilstedeværelsen af urenheder, primært hydrogen, er også væsentlig. Nogle fremstillingsmetoder bruger brint eller metan som katalysator, og en betydelig procentdel af brintet kan forblive i materialet. I betragtning af, at blød plast og polyethylen er lavet af kulstof, som er bundet af en ren diamantlignende sp3- binding , men også inkluderer en kemisk binding af brint, er det ikke overraskende, at de fraktioner af hydrogen, der er tilbage i DLC-film, forringer deres egenskaber i meget på samme måde som sp 2 carbonbindingsrester. Den højeste hårdhed er rent diamantlignende kulstof uden brint, hvor alle interatomiske bindinger er sp 3 typer.
De samme indre spændinger, som giver hårdheden af diamantlignende materialer, har tendens til at rive belægningen væk fra det beskyttede underlag. Kampen mod dette udføres på forskellige måder, afhængigt af mulighederne for den anvendte påføringsmetode. Den enkleste er brugen af naturlige kemiske bindinger med substratmaterialet, som dannes, hvis reaktionen med dannelse af stærke karbider er mulig . Hvis substratmaterialet ikke danner dem, er det dækket med et tyndt underlag af et eller andet karbiddannende metal, såsom titanium eller jern . Andre måder at sikre vedhæftning på er f.eks., at der aflejres mellemlag, som har interatomare afstande, der varierer fra dem, der er karakteristiske for substratet til dem, der er for DLC.
Diamantlignende belægninger bruges ofte til at forhindre slid og reducere friktion på grund af deres fremragende tribologiske egenskaber. De er ekstremt modstandsdygtige over for slibende og klæbende slid, hvilket gør det muligt at bruge dem under forhold med høje kontakttryk, både når de ruller og når de glider. APP'er bruges ofte til at øge levetiden for barberblade, bearbejdningsværktøjer, primært boremaskiner og fræsere . Anvendes i lejer , knastmekanismer . Diamantlignende belægninger øger det tidsrum, som transmissionen kan fungere under forhold med utilstrækkelig smøring. På trods af de fremragende tribologiske egenskaber ved APP'er bør de bruges med forsigtighed på jernlegeringer. Ved forhøjede temperaturer kan substratet eller modlegemet opløse kulstof i sig selv, hvilket resulterer i tab af funktionalitet af belægningen. Dette fænomen forhindrer brugen af DLC-belagte værktøjer til stålbearbejdning.
Med et lavt indhold af grafitfasen i en diamantlignende belægning eller med et stort antal hydrogenbindinger kan dette være et dielektrikum med en høj modstandsværdi. I andre tilfælde kan materialet have en ledningsevne, der har en tunnelerende karakter . I denne type ledning bevæger elektroner sig ved kvantetunnel mellem pletter af ledende materiale omgivet af et dielektrikum. Resultatet er en proces, der gør materialet til noget som en halvleder. Der er i øjeblikket forskning i gang for at finde en praktisk anvendelse af denne effekt.
Brugen af APP øger normalt materialets slidstyrke . Diamantlignende belægning bruges ofte til at belægge værktøjer (med undtagelse af dem, der er beregnet til bearbejdning af jernbaserede legeringer ) , såsom endefræsere , bor , matricer og forme . Belægningen øger skærekanternes hårdhed og slidstyrke, forhindrer spåner i at klæbe til værktøjsoverfladen og reducerer friktionen.
APP bruges også i motorerne på avancerede sportscykler, Formel 1-racerbiler, NASCAR - biler og som belægning på harddiskplader og -hoveder for at beskytte mod hovedsvigt.
Næsten alle flerbladede barbermaskiner , der bruges til vådbarbering, har en diamantlignende kulstofbelagt kant for at reducere friktionen og forhindre irritation af følsom hud.
APP har god biokompatibilitet , hvilket gør det til et attraktivt materiale til medicinske anvendelser. Sådanne belægninger bruges til at øge levetiden af kunstige led, reducere trombedannelse under koronararteriestenting og fremstille et kunstigt hjerte .
På grund af sin dybe sorte farve, kombineret med modstandsdygtighed over for ridser og de aggressive virkninger af menneskelig sved, har diamantlignende kulstof fundet anvendelse som en dekorativ belægning i smykke- og urfremstillingsindustrien.