类金刚石碳膜的制备及其机械性能和应用
- 来源:职业
- 关键字:化学,高温,DLC膜,发光
- 发布时间:2011-08-05 14:18
类金刚石碳（diamond-likecarbon）膜简称DLC膜，是一类物理和化学性质类似于金刚石且具有独特摩擦学特性的非晶碳膜。类金刚石碳膜易于大面积沉积，沉积速度快，沉积温度低，可采用金属和非金属材料作为衬底，加之其所具有的优良物理化学以及机械性能，所以具有重大的实用价值。本文着重阐述类DLC膜的制备方法、机械性能及其在机械方面和其他一些领域的应用。
一、制备方法
DLC膜的制备技术日益成熟，以下简单介绍常见的几种方法：
1.等离子体辅助化学气相沉积(PECVD)法
（1）直流辉光放电(DG)法。直流辉光放电法就是利用高压直流负偏压(-2至-5kV)，使低压碳氢气体发生辉光放电，从而产生等离子体，等离子体在电场作用下轰击基体，并沉积成膜。
（2）热丝放电(HFG)法。热丝放电法是在直流放电法的基础上发展而来的。在阴极板的上面放一Mo丝，沉积DLC膜时，加热Mo丝到1100℃，产生大量热电子，这些电子将中和膜面沉积的正电荷，减小电荷积累所产生的电压降。
（3）射频辉光放电(RFG)法。射频辉光放电法有两种形式：感应圈式和平行板电容偶合式。对于感应圈式，当感应圈接上射频电源时，低压碳氢气体发生辉光放电而分解，形成等离子体，在基体上沉积成膜。
（4）双射频辉光放电(RF-RF)法。用此法制备的DLC膜致密、无针眼、压应力低。
（5）射频-直流(RF-DC)法。射频-直流法就是在射频辉光放电法的基础上加一直流电源，这样等离子体在直流负偏压和射频自负偏压的共同作用下轰击基体表面。
2.物理气相沉积(PVD)法
（1）直流磁控溅射(DMS)法。其基本原理是，受磁场控制的电子在低压下轰击氩原子，使之电离成氩离子，高能氩离子轰击石墨靶，溅射出碳原子，在基体上沉积成膜。（2）射频溅射(RFS)法。射频溅射法和射频辉光放电法很相似，只不过基体在阳极，石墨靶作为阴极。石墨靶在射频振荡激发的氩原于轰击下，溅射出碳原子，在基体上沉积成膜。
（3）离子束沉积(IBD)。离子束沉积就是将碳氢气体充入离子源中，在热丝产生的高能电子的作用下发生电离，然后在电场的加速作用下轰击基板，并沉积成膜。
（4）真空电弧(VARC)法。真空电弧法沉积速度快，易于实现工业化。此方法沉积的DLC膜不含氢，SP3键结合的碳含量高达90％，具有高硬度和密度，性能更接近于金刚石膜。
（5）激光电弧(LARC)法。激光电弧法就是用高能激光束射向石墨靶面，蒸发出碳原子。碳原子在脉冲电流的作用下产生电弧，形成能量为lkeV的碳离于轰击基体，并沉积成膜。
二、性能特点
1.机械性能
DLC膜具有高硬度和高弹性模量，不同的沉积方法制备的DLC膜硬度差异很大。沉积工艺参数对DLC膜的硬度有影响，膜层内的成分对膜层硬度也有一定影响。但是DLC膜有很高的内应力，内应力是决定薄膜的稳定性和使用寿命的重要因素，而且内应力也会限制膜的厚度。通过在膜中掺杂N、Si、O或金属内应力可以减小，然而内应力减小会影响硬度和弹性模量。DLC膜具有优异的耐磨性、低摩擦系数，是优异的表面抗磨损改性膜。类金刚石膜的相关文献显示，DLC膜的低摩擦系数及超低磨损是由交界层的低剪切应力决定的，也受测试环境影响。DLC膜的摩擦系数值的跨度很大，这是由膜的结构和组成变化造成的。同时，膜的交界面有润滑作用，通过加入氢能提高润滑作用，加入水或氧会限制润滑。在超高真空中发现，DLC膜中氢的含量超过40％门限时，能获得很低的摩擦系数，但过多的氢将降低膜与机体的结合力和表面硬度，使内应力增大。
2.其他方面的性能
DLC膜在其他方面也具备优异的性能，比如DLC膜的硬度较高，而1微米以下的DLC膜有良好的附着力。离子束沉积的DLC膜的折射率依赖于沉积条件，但折射率变化不大，一般为1.9~2.2；DLC膜在红外波段内对Si具有增透效果；DLC膜的绝缘状况非常好，接近金刚石的电阻率。
三、应用
1.机械性能上的应用
（1）DLC膜具有高硬度、低摩擦系数及良好的高耐磨性能，适用于轴承、齿轮等易损机件的抗磨损镀层，尤其适合用于工具表面的耐磨涂层，可显著提高寿命。如镀制DLC膜的微型钻头在线路板的钻孔中，速度提高50％，使用寿命增加5倍，钻头加工成本降低50％。而一些铁钉、丝锥、插入式机械工具镀上DLC膜后，可以暴露空气中长达7年而不被损坏。在镀锌钢板的深冲模具上沉积了掺W的DLC膜后可以不用润滑剂，同样次数的深冲后工件的表面质量仍明显优于未镀膜模具所冲工件。在制造易拉罐时，用高速钢模具对铝板冲压，若无保护膜，冲压几次工件的孔边就出现毛刺，而镀上膜后冲压5000次依然完好如初。
（2）DLC膜也可用在化工设备表面防腐方面。防腐试验结果表明：DLC膜对酸碱的防护能力强，具有很大的应用潜力。将奥氏体不锈钢表面经过渗碳处理，然后再渗碳表面镀制一层DLC薄膜可以明显改善其摩擦性能和耐腐蚀性能，使摩擦系数由原来的0.55减小并保持在0.20。
（3）由于DLC膜具有较低的摩擦系数，可以较好地使用在高温、高真空等不适于液体润滑的情况，以及没有清洁要求的环境中。这种性能满足航天及航空材料的要求。Mg-14％Li是一种比Mg密度小许多的轻质合金，且具有适宜低温使用的特性，在航空、汽车和微电子方面有很大的应用潜力。
（4）DLC膜还可以作为磁介质保护膜。将磁盘、磁头或磁带表面涂覆很薄的类金刚石膜后，不仅可以明显减小摩擦磨损和防止机械划伤，提高磁记录介质的使用寿命；而且由于DLC膜具有良好的化学惰性，抗氧化性提高，稳定性增强。
2.在其他领域的应用
（1）电子器件上的应用。DLC膜可以作为芯片的铜片散热器的绝缘电阻，将DLC膜用作光刻电路板的掩膜，不仅可以防止在操作中反复接触造成的表面机械损伤，还允许用较激烈的机械或化学腐蚀方法去除膜表面的污染物而不形成对膜表面本身的破坏。此外，也可将DLC膜用在平面发射显示上。
（2）光学上的应用。DLC膜的可见光吸收和红外透过性能，可以用在锗光学镜片上和硅太阳能电池上作为减反射膜，这种膜有很高的电阻率、化学耐腐性和抗磨损性。由于DLC膜具有良好的光学透过性，且适于低温沉积的特点，因此可以作为由塑料和聚碳酸脂等低熔点材料组成的光学透镜表面抗磨损保护层。此外，DLC膜还是性能极佳的发光材料之一。
（3）在医学中的应用。目前，DLC膜越来越广泛地被应用在生物医学领域。用作人工心脏瓣膜的不锈钢或钛合金表面沉积了DLC膜的涂层，可以提高这些部件的使用性能；由于DLC膜有良好的硬度和摩擦性能，也常被用作人工关节承受面的抗磨层；另外，在人造牙根上镀制一层类金刚石碳膜，还可以改善其生物相容性。
(作者单位：广东省工商高级技工学校)
文/朱方芳
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一、制备方法
DLC膜的制备技术日益成熟，以下简单介绍常见的几种方法：
1.等离子体辅助化学气相沉积(PECVD)法
（1）直流辉光放电(DG)法。直流辉光放电法就是利用高压直流负偏压(-2至-5kV)，使低压碳氢气体发生辉光放电，从而产生等离子体，等离子体在电场作用下轰击基体，并沉积成膜。
（2）热丝放电(HFG)法。热丝放电法是在直流放电法的基础上发展而来的。在阴极板的上面放一Mo丝，沉积DLC膜时，加热Mo丝到1100℃，产生大量热电子，这些电子将中和膜面沉积的正电荷，减小电荷积累所产生的电压降。
（3）射频辉光放电(RFG)法。射频辉光放电法有两种形式：感应圈式和平行板电容偶合式。对于感应圈式，当感应圈接上射频电源时，低压碳氢气体发生辉光放电而分解，形成等离子体，在基体上沉积成膜。
（4）双射频辉光放电(RF-RF)法。用此法制备的DLC膜致密、无针眼、压应力低。
（5）射频-直流(RF-DC)法。射频-直流法就是在射频辉光放电法的基础上加一直流电源，这样等离子体在直流负偏压和射频自负偏压的共同作用下轰击基体表面。
2.物理气相沉积(PVD)法
（1）直流磁控溅射(DMS)法。其基本原理是，受磁场控制的电子在低压下轰击氩原子，使之电离成氩离子，高能氩离子轰击石墨靶，溅射出碳原子，在基体上沉积成膜。（2）射频溅射(RFS)法。射频溅射法和射频辉光放电法很相似，只不过基体在阳极，石墨靶作为阴极。石墨靶在射频振荡激发的氩原于轰击下，溅射出碳原子，在基体上沉积成膜。
（3）离子束沉积(IBD)。离子束沉积就是将碳氢气体充入离子源中，在热丝产生的高能电子的作用下发生电离，然后在电场的加速作用下轰击基板，并沉积成膜。
（4）真空电弧(VARC)法。真空电弧法沉积速度快，易于实现工业化。此方法沉积的DLC膜不含氢，SP3键结合的碳含量高达90％，具有高硬度和密度，性能更接近于金刚石膜。
（5）激光电弧(LARC)法。激光电弧法就是用高能激光束射向石墨靶面，蒸发出碳原子。碳原子在脉冲电流的作用下产生电弧，形成能量为lkeV的碳离于轰击基体，并沉积成膜。
二、性能特点
1.机械性能
DLC膜具有高硬度和高弹性模量，不同的沉积方法制备的DLC膜硬度差异很大。沉积工艺参数对DLC膜的硬度有影响，膜层内的成分对膜层硬度也有一定影响。但是DLC膜有很高的内应力，内应力是决定薄膜的稳定性和使用寿命的重要因素，而且内应力也会限制膜的厚度。通过在膜中掺杂N、Si、O或金属内应力可以减小，然而内应力减小会影响硬度和弹性模量。DLC膜具有优异的耐磨性、低摩擦系数，是优异的表面抗磨损改性膜。类金刚石膜的相关文献显示，DLC膜的低摩擦系数及超低磨损是由交界层的低剪切应力决定的，也受测试环境影响。DLC膜的摩擦系数值的跨度很大，这是由膜的结构和组成变化造成的。同时，膜的交界面有润滑作用，通过加入氢能提高润滑作用，加入水或氧会限制润滑。在超高真空中发现，DLC膜中氢的含量超过40％门限时，能获得很低的摩擦系数，但过多的氢将降低膜与机体的结合力和表面硬度，使内应力增大。
2.其他方面的性能
DLC膜在其他方面也具备优异的性能，比如DLC膜的硬度较高，而1微米以下的DLC膜有良好的附着力。离子束沉积的DLC膜的折射率依赖于沉积条件，但折射率变化不大，一般为1.9~2.2；DLC膜在红外波段内对Si具有增透效果；DLC膜的绝缘状况非常好，接近金刚石的电阻率。
三、应用
1.机械性能上的应用
（1）DLC膜具有高硬度、低摩擦系数及良好的高耐磨性能，适用于轴承、齿轮等易损机件的抗磨损镀层，尤其适合用于工具表面的耐磨涂层，可显著提高寿命。如镀制DLC膜的微型钻头在线路板的钻孔中，速度提高50％，使用寿命增加5倍，钻头加工成本降低50％。而一些铁钉、丝锥、插入式机械工具镀上DLC膜后，可以暴露空气中长达7年而不被损坏。在镀锌钢板的深冲模具上沉积了掺W的DLC膜后可以不用润滑剂，同样次数的深冲后工件的表面质量仍明显优于未镀膜模具所冲工件。在制造易拉罐时，用高速钢模具对铝板冲压，若无保护膜，冲压几次工件的孔边就出现毛刺，而镀上膜后冲压5000次依然完好如初。
（2）DLC膜也可用在化工设备表面防腐方面。防腐试验结果表明：DLC膜对酸碱的防护能力强，具有很大的应用潜力。将奥氏体不锈钢表面经过渗碳处理，然后再渗碳表面镀制一层DLC薄膜可以明显改善其摩擦性能和耐腐蚀性能，使摩擦系数由原来的0.55减小并保持在0.20。
（3）由于DLC膜具有较低的摩擦系数，可以较好地使用在高温、高真空等不适于液体润滑的情况，以及没有清洁要求的环境中。这种性能满足航天及航空材料的要求。Mg-14％Li是一种比Mg密度小许多的轻质合金，且具有适宜低温使用的特性，在航空、汽车和微电子方面有很大的应用潜力。
（4）DLC膜还可以作为磁介质保护膜。将磁盘、磁头或磁带表面涂覆很薄的类金刚石膜后，不仅可以明显减小摩擦磨损和防止机械划伤，提高磁记录介质的使用寿命；而且由于DLC膜具有良好的化学惰性，抗氧化性提高，稳定性增强。
2.在其他领域的应用
（1）电子器件上的应用。DLC膜可以作为芯片的铜片散热器的绝缘电阻，将DLC膜用作光刻电路板的掩膜，不仅可以防止在操作中反复接触造成的表面机械损伤，还允许用较激烈的机械或化学腐蚀方法去除膜表面的污染物而不形成对膜表面本身的破坏。此外，也可将DLC膜用在平面发射显示上。
（2）光学上的应用。DLC膜的可见光吸收和红外透过性能，可以用在锗光学镜片上和硅太阳能电池上作为减反射膜，这种膜有很高的电阻率、化学耐腐性和抗磨损性。由于DLC膜具有良好的光学透过性，且适于低温沉积的特点，因此可以作为由塑料和聚碳酸脂等低熔点材料组成的光学透镜表面抗磨损保护层。此外，DLC膜还是性能极佳的发光材料之一。
（3）在医学中的应用。目前，DLC膜越来越广泛地被应用在生物医学领域。用作人工心脏瓣膜的不锈钢或钛合金表面沉积了DLC膜的涂层，可以提高这些部件的使用性能；由于DLC膜有良好的硬度和摩擦性能，也常被用作人工关节承受面的抗磨层；另外，在人造牙根上镀制一层类金刚石碳膜，还可以改善其生物相容性。
(作者单位：广东省工商高级技工学校)
文/朱方芳
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