Меню
Главная
Случайная статья
Настройки
|
Алмазоподобный углерод (англ. Diamond-like carbon (DLC), алмазоподобное покрытие (АПП)) — материал из аморфного углерода, с преимущественно тетраэдральными связями. Обладает некоторыми свойствами алмаза. Используется в виде твёрдых покрытий для защиты поверхностей других материалов[1].
Различают семь различных форм алмазоподобного углерода[2]. Все они содержат в существенном количестве sp3-гибридизованные атомы углерода. Причиной существования различных форм заключается в том, что даже алмаз может быть найдет в одном из двух кристаллических политипов. Атомы обычного алмаза организованы в кубическую решётку, а его редкая модификация (лонсдейлит) имеет гексагональную структуру. В результате смешивания этих двух типов различным образом на наноразмерном уровне, возникает алмазоподобная аморфная структура. Тонкие плёнки этого материала обладают гибкостью. Наиболее твёрдым, прочным, обладающая антифрикционными свойствами, является структура, известная как тетраэдральный аморфный углерод (ta-C). К примеру, покрытие из ta-C толщиной всего лишь в 2 мкм, благодаря своей твёрдости, увеличивает устойчивость обычной нержавеющей стали к абразивному износу, а срок службы может возрасти от одной недели до 85 лет. Тетраэдральная форма может считаться алмазоподобным углеродом «в чистом виде», поскольку состоит только из sp3-связанных атомов. Получаемые в промышленности алмазоподобные покрытия содержат примеси, появляющиеся как в результате недостатков методов получения плёнки, так и вводимые намеренно для придания им тех или иных свойств. Различные формы алмазоподобного углерода могут наноситься практически на любой материал, совместимый с вакуумным напылением.
Содержание
Различие натурального и синтетического алмаза
Встречающийся в природе алмаз почти всегда находится в кристаллической форме с чисто кубической ориентацией sp3 связанных углеродных атомов. Иногда возникают дефекты кристаллической решётки или включения атомов других элементов, которые придают цвет камню, но при этом расположение углерода в решётке остаётся кубическим с sp3 связью. Внутренняя энергия кубических политипов немного меньше, чем гексагональных форм, и темпы роста кристалла из расплавленного материала при естественном и массовом производстве синтетических алмазов достаточно медленна, так что структура решётки растёт в низкой (кубической) энергии формы, что возможно для sp3 связей атомов углерода. В противоположность этому DLC покрытия, как правило, производятся процессами, в которых атомы углерода быстро охлаждаются и закаляются на относительно холодных поверхностях при высокой энергии. Такие процессы могут быть, например, в плазме, в фильтрованном катодно-дуговом осаждении, в напылении и осаждении ионного пучка[англ.].
В этих случаях кубическая и гексагональные решётки могут быть случайно смешаны, атомный слой за атомным слоем, потому что нет времени для одной из кристаллических геометрий расти за счёт другой до того, как атомы заморожены на месте в материале. Аморфные DLC могут привести к материалам, которые не имеют дальний кристаллический порядок. Без дальнего порядка нет хрупких плоскостей трещин. Поэтому такие покрытия являются гибкими и конформно покрытыми к основной форме, но тоже время прочными, как алмаз. На самом деле это свойство было использовано для изучения износа атом за атомом на наноуровне в DLC.[3]
Производство
Известны следующие методы получения алмазоподобного углерода:[4]
Свойства
Как следует из названия, ценность алмазоподобного углерода определяется его способностью привнести некоторые из свойств алмаза на поверхность практически любого материала. Основными желательными качествами являются твёрдость, износостойкость, и гладкость (коэффициент трения АПП плёнки против полированной стали варьируется в пределах от 0,05 до 0,20[5]) . Свойства этого покрытия сильно зависят от метода нанесения[6][7], параметров осаждения (напряжение электрического смещения подложки[8], толщина АПП покрытия[9][10] толщины подслоя, и т. д.). Кроме того, термообработка также изменяет свойства покрытия, такие как твёрдость, вязкость и скорость износа.[11]
Типы межатомных связей оказывают значительное влияние на свойства материала аморфных углеродных тонких плёнок. Если присутствует sp2 тип, то плёнка будет более мягкой, если присутствует sp3 тип, то плёнка будет более жёсткой[12]. Также существенным является наличие примесей, в первую очередь — водорода. Некоторые методы производства используют водород или метан, как катализатор, и, значительный процент водорода может оставаться в материале. Если вспомнить, что мягкий пластик и полиэтилен сделан из углерода, который связан чистой алмазоподобной sp3 связью, но, также и включающий в себя химическую связь водорода, то не удивительно, что доли водорода, оставшиеся в DLC плёнках, ухудшают их свойства почти также, как это делают остатки sp2 связи углерода. Наибольшей твёрдостью является чистый алмазоподобный углерод без водорода, в котором все межатомные связи — sp3 типа.
Твёрдость
|
|