類金剛石碳膜的制備及其機械性能和應用

　　類金剛石碳（diamond-like carbon ）膜簡稱DLC膜，是一類物理和化學性質(zhì)類似于金剛石且具有獨特摩擦學特性的非晶碳膜。類金剛石碳膜易于大面積沉積，沉積速度快，沉積溫度低，可采用金屬和非金屬材料作為襯底，加之其所具有的優(yōu)良物理化學以及機械性能，所以具有重大的實用價值。本文著重闡述類DLC膜的制備方法、機械性能及其在機械方面和其他一些領域的應用。
　　一、制備方法
　　DLC膜的制備技術日益成熟，以下簡單介紹常見的幾種方法：
　　1.等離子體輔助化學氣相沉積(PECVD)法
　　（1）直流輝光放電(DG)法。直流輝光放電法就是利用高壓直流負偏壓(-2至-5kV)，使低壓碳氫氣體發(fā)生輝光放電，從而產(chǎn)生等離子體，等離子體在電場作用下轟擊基體，并沉積成膜。
　　（2）熱絲放電(HFG)法。熱絲放電法是在直流放電法的基礎上發(fā)展而來的。在陰極板的上面放一Mo絲，沉積DLC膜時，加熱Mo絲到1100℃，產(chǎn)生大量熱電子，這些電子將中和膜面沉積的正電荷，減小電荷積累所產(chǎn)生的電壓降。
　　（3）射頻輝光放電(RFG)法。射頻輝光放電法有兩種形式：感應圈式和平行板電容偶合式。對于感應圈式，當感應圈接上射頻電源時，低壓碳氫氣體發(fā)生輝光放電而分解，形成等離子體，在基體上沉積成膜。
　　（4）雙射頻輝光放電(RF-RF)法。用此法制備的DLC膜致密、無針眼、壓應力低。
　?。?）射頻-直流(RF-DC)法。射頻-直流法就是在射頻輝光放電法的基礎上加一直流電源，這樣等離子體在直流負偏壓和射頻自負偏壓的共同作用下轟擊基體表面。
　　2.物理氣相沉積(PVD)法
　　（1）直流磁控濺射(DMS)法。其基本原理是，受磁場控制的電子在低壓下轟擊氬原子，使之電離成氬離子，高能氬離子轟擊石墨靶，濺射出碳原子，在基體上沉積成膜。
　?。?）射頻濺射(RFS)法。射頻濺射法和射頻輝光放電法很相似，只不過基體在陽極，石墨靶作為陰極。石墨靶在射頻振蕩激發(fā)的氬原于轟擊下，濺射出碳原子，在基體上沉積成膜。
　?。?）離子束沉積(IBD)。離子束沉積就是將碳氫氣體充入離子源中，在熱絲產(chǎn)生的高能電子的作用下發(fā)生電離，然后在電場的加速作用下轟擊基板，并沉積成膜。
　?。?）真空電弧(VARC)法。真空電弧法沉積速度快，易于實現(xiàn)工業(yè)化。此方法沉積的DLC膜不含氫，SP3鍵結合的碳含量高達90％，具有高硬度和密度，性能更接近于金剛石膜。
　?。?）激光電弧(LARC)法。激光電弧法就是用高能激光束射向石墨靶面，蒸發(fā)出碳原子。碳原子在脈沖電流的作用下產(chǎn)生電弧，形a成能量為lkeV的碳離于轟擊基體，并沉積成膜。
　　二、性能特點
　　1.機械性能
　　DLC膜具有高硬度和高彈性模量，不同的沉積方法制備的DLC膜硬度差異很大。沉積工藝參數(shù)對DLC膜的硬度有影響，膜層內(nèi)的成分對膜層硬度也有一定影響。但是DLC膜有很高的內(nèi)應力，內(nèi)應力是決定薄膜的穩(wěn)定性和使用壽命的重要因素，而且內(nèi)應力也會限制膜的厚度。通過在膜中摻雜N、Si、O或金屬內(nèi)應力可以減小，然而內(nèi)應力減小會影響硬度和彈性模量。DLC膜具有優(yōu)異的耐磨性、低摩擦系數(shù)，是優(yōu)異的表面抗磨損改性膜。類金剛石膜的相關文獻顯示，DLC膜的低摩擦系數(shù)及超低磨損是由交界層的低剪切應力決定的，也受測試環(huán)境影響。DLC膜的摩擦系數(shù)值的跨度很大，這是由膜的結構和組成變化造成的。同時，膜的交界面有潤滑作用，通過加入氫能提高潤滑作用，加入水或氧會限制潤滑。在超高真空中發(fā)現(xiàn)，DLC膜中氫的含量超過40％門限時，能獲得很低的摩擦系數(shù)，但過多的氫將降低膜與機體的結合力和表面硬度，使內(nèi)應力增大。
　　2.其他方面的性能
　　DLC膜在其他方面也具備優(yōu)異的性能，比如DLC膜的硬度較高，而1微米以下的DLC膜有良好的附著力。離子束沉積的DLC膜的折射率依賴于沉積條件，但折射率變化不大，一般為1.9~2.2；DLC膜在紅外波段內(nèi)對Si具有增透效果；DLC膜的絕緣狀況非常好，接近金剛石的電阻率。
　　三、應用
　　1.機械性能上的應用
　?。?）DLC膜具有高硬度、低摩擦系數(shù)及良好的高耐磨性能，適用于軸承、齒輪等易損機件的抗磨損鍍層，尤其適合用于工具表面的耐磨涂層，可顯著提高壽命。如鍍制DLC膜的微型鉆頭在線路板的鉆孔中，速度提高50％，使用壽命增加5倍，鉆頭加工成本降低50％。而一些鐵釘、絲錐、插入式機械工具鍍上DLC膜后，可以暴露空氣中長達7年而不被損壞。在鍍鋅鋼板的深沖模具上沉積了摻W的DLC膜后可以不用潤滑劑，同樣次數(shù)的深沖后工件的表面質(zhì)量仍明顯優(yōu)于未鍍膜模具所沖工件。在制造易拉罐時，用高速鋼模具對鋁板沖壓，若無保護膜，沖壓幾次工件的孔邊就出現(xiàn)毛刺，而鍍上膜后沖壓5000次依然完好如初。
　　（2）DLC膜也可用在化工設備表面防腐方面。防腐試驗結果表明：DLC膜對酸堿的防護能力強，具有很大的應用潛力。將奧氏體不銹鋼表面經(jīng)過滲碳處理，然后再滲碳表面鍍制一層DLC薄膜可以明顯改善其摩擦性能和耐腐蝕性能，使摩擦系數(shù)由原來的0.55減小并保持在0.20。
　　（3）由于DLC膜具有較低的摩擦系數(shù)，可以較好地使用在高溫、高真空等不適于液體潤滑的情況，以及沒有清潔要求的環(huán)境中。這種性能滿足航天及航空材料的要求。Mg-14％Li是一種比Mg密度小許多的輕質(zhì)合金，且具有適宜低溫使用的特性，在航空、汽車和微電子方面有很大的應用潛力。
　?。?）DLC膜還可以作為磁介質(zhì)保護膜。將磁盤、磁頭或磁帶表面涂覆很薄的類金剛石膜后，不僅可以明顯減小摩擦磨損和防止機械劃傷，提高磁記錄介質(zhì)的使用壽命；而且由于DLC膜具有良好的化學惰性，抗氧化性提高，穩(wěn)定性增強。
　　2.在其他領域的應用
　　（1）電子器件上的應用。DLC膜可以作為芯片的銅片散熱器的絕緣電阻，將DLC膜用作光刻電路板的掩膜，不僅可以防止在操作中反復接觸造成的表面機械損傷，還允許用較激烈的機械或化學腐蝕方法去除膜表面的污染物而不形成對膜表面本身的破壞。此外，也可將DLC膜用在平面發(fā)射顯示上。
　　（2）光學上的應用。DLC膜的可見光吸收和紅外透過性能，可以用在鍺光學鏡片上和硅太陽能電池上作為減反射膜，這種膜有很高的電阻率、化學耐腐性和抗磨損性。由于DLC膜具有良好的光學透過性，且適于低溫沉積的特點，因此可以作為由塑料和聚碳酸脂等低熔點材料組成的光學透鏡表面抗磨損保護層。此外，DLC膜還是性能極佳的發(fā)光材料之一。
　?。?）在醫(yī)學中的應用。目前，DLC膜越來越廣泛地被應用在生物醫(yī)學領域。用作人工心臟瓣膜的不銹鋼或鈦合金表面沉積了DLC膜的涂層，可以提高這些部件的使用性能；由于DLC膜有良好的硬度和摩擦性能，也常被用作人工關節(jié)承受面的抗磨層；另外，在人造牙根上鍍制一層類金剛石碳膜，還可以改善其生物相容性。