A gyémántszerű szén ( angolul Diamond-like carbon (DLC) , gyémántszerű bevonat (APP) ) amorf szénből készült anyag , túlnyomórészt tetraéderes szénkötésekkel. A gyémánt néhány tulajdonságával rendelkezik . Kemény bevonatok formájában használják más anyagok felületeinek védelmére [1] .
A DLC-nek hét különböző formája létezik [2] . Mindegyik jelentős mennyiségű sp 3 - hibridizált szénatomot tartalmaz. A különböző formák létezésének oka, hogy két kristálypolitípus egyikében még egy gyémánt is megtalálható . A közönséges gyémánt atomjai köbös rácsban szerveződnek, ritka módosulata ( lonsdaleite ) pedig hatszögletű szerkezetű. Ennek a két típusnak a nanoméretű különböző módon történő keverésének eredményeként gyémántszerű amorf szerkezet keletkezik. Az ebből az anyagból készült vékony filmek rugalmasak. A legszilárdabb, legtartósabb, birtoklósúrlódásgátló tulajdonságokkal rendelkezik , tetraéderes amorf szénként (ta-C) ismert szerkezet. Például egy csak 2 mikron vastag ta-C bevonat keménysége miatt növeli a közönséges rozsdamentes acél kopásállóságát, és az élettartam egy hétről 85 évre nőhet. A tetraéderes forma "tiszta" gyémántszerű szénnek tekinthető, mivel csak sp 3 -kötésű atomokból áll. Az iparilag előállított gyémántszerű bevonatok olyan szennyeződéseket tartalmaznak, amelyek egyrészt a fóliagyártási módszerek hiányosságaiból erednek, másrészt szándékosan kerültek behelyezésre, hogy bizonyos tulajdonságokat kölcsönözzenek nekik. A DLC különféle formái gyakorlatilag minden olyan anyagra alkalmazhatók, amely kompatibilis a vákuumleválasztással.
A természetben előforduló gyémánt szinte mindig kristályos formában van, és a kötött szénatomok tisztán köbös sp 3 orientációjúak. Néha előfordulnak hibák a kristályrácsban vagy más elemek atomjainak bevonása, amelyek színt adnak a kőnek, de a szén elrendezése a rácsban köbös marad sp 3 kötéssel. A köbös politípusok belső energiája valamivel kisebb, mint a hatszögletű formáké , és a szintetikus gyémántok természetes és tömeges előállítása során olvadt anyagból származó kristály növekedési sebessége elég lassú ahhoz, hogy a rácsszerkezet alacsony (köbös) formában növekedjen, ami a szénatomok sp 3 kötései esetén lehetséges. Ezzel szemben a DLC bevonatokat jellemzően olyan eljárásokkal állítják elő, amelyek során a szénatomokat gyorsan lehűtik és viszonylag hideg felületeken nagy energiával lehűtik. Ilyen folyamatok lehetnek például a plazmában , a szűrt katódíves leválasztásban , a porlasztásban és az ionsugaras leválasztásban .
Ezekben az esetekben a köbös és a hatszögletű rácsok véletlenszerűen, atomi rétegenként keveredhetnek, mert nincs ideje, hogy az egyik kristálygeometria a másik rovására növekedjen, mielőtt az atomok a helyükre fagynának az anyagban. Az amorf DLC-k olyan anyagokat eredményezhetnek, amelyek nem rendelkeznek nagy hatótávolságú kristályos renddel. Hosszú távú megrendelés nélkül nincsenek rideg repedési síkok. Ezért az ilyen bevonatok hajlékonyak és az alapformához megfelelő bevonatúak, ugyanakkor olyan erősek, mint a gyémánt. Valójában ezt a tulajdonságot használták a kopás atomról atomra történő tanulmányozására nanoskálán a DLC-ben. [3]
A gyémántszerű szén előállítására a következő módszerek ismertek: [4]
Ahogy a neve is sugallja, a DLC értéke abból fakad, hogy gyakorlatilag bármilyen anyag felületére képes felhozni a gyémánt egyes tulajdonságait. A fő kívánatos tulajdonságok a keménység, a kopásállóság és a simaság (az APP fólia csiszolt acélhoz viszonyított súrlódási együtthatója 0,05 és 0,20 között változik [5] ). Ennek a bevonatnak a tulajdonságai erősen függnek a leválasztási módszertől [6] [7] , a leválasztási paraméterektől (az alapfelület elektromos elmozdulási feszültsége [8] , a DLC bevonat vastagsága [9] [10] , az alréteg vastagsága stb.). Ezenkívül a hőkezelés megváltoztatja a bevonat tulajdonságait, például a keménységet, a szívósságot és a kopási sebességet. [tizenegy]
Az atomközi kötések típusai jelentős hatással vannak az amorf szén vékonyrétegek anyagtulajdonságaira. Ha sp 2 típus van jelen, akkor a fólia lágyabb, ha sp 3 típus, akkor merevebb lesz [12] . A szennyeződések, elsősorban a hidrogén jelenléte is jelentős. Egyes gyártási eljárások hidrogént vagy metánt használnak katalizátorként, és a hidrogén jelentős százaléka az anyagban maradhat. Figyelembe véve, hogy a lágy műanyagok és a polietilén szénből készül, amelyet tiszta gyémántszerű sp3 kötés köt össze , de tartalmaz egy kémiai hidrogénkötést is, nem meglepő, hogy a DLC filmekben maradt hidrogénfrakciók jelentősen rontják tulajdonságaikat. ugyanúgy.mint az sp 2 szénkötés-maradékok. A legnagyobb keménység a tiszta gyémántszerű szén hidrogén nélkül, amelyben minden atomközi kötés sp 3 típusú.
Ugyanazok a belső feszültségek, amelyek a gyémántszerű anyagok keménységét biztosítják, hajlamosak leszakítani a bevonatot a védett hordozóról. Az ez elleni küzdelem az alkalmazott alkalmazási mód képességeitől függően többféleképpen történik. A legegyszerűbb a természetes kémiai kötések alkalmazása a hordozóanyaggal, amelyek akkor jönnek létre, ha az erős karbidok képződésének reakciója lehetséges . Ha a szubsztrátum anyaga nem képezi őket, akkor valamilyen keményfém-képző fémből, például titánból vagy vasból készült vékony alréteg borítja . A tapadás biztosításának egyéb módjai például a közbenső rétegek felhordása, amelyek atomközi távolsága a szubsztrátum és a DLC jellemzőitől eltérő.
A gyémántszerű bevonatokat kiváló tribológiai tulajdonságaik miatt gyakran használják a kopás megelőzésére és a súrlódás csökkentésére. Rendkívül ellenállóak a csiszoló- és ragasztókopással szemben, ami lehetővé teszi, hogy nagy érintkezési nyomás mellett is használhatók, gördüléskor és csúszáskor egyaránt. Az APP-kat gyakran használják borotvapengék, megmunkáló szerszámok, elsősorban fúrók és marók élettartamának növelésére . Csapágyakban , bütykös mechanizmusokban alkalmazzák . A gyémántszerű bevonatok meghosszabbítják azt az időtartamot, ameddig a sebességváltó képes működni nem megfelelő kenés mellett. Az APP-ok kiemelkedő tribológiai tulajdonságai ellenére óvatosan kell őket használni vasötvözeteknél. Magasabb hőmérsékleten a szubsztrátum vagy az ellentest feloldhatja a szenet, ami a bevonat funkcionalitásának elvesztését eredményezi. Ez a jelenség megakadályozza a DLC-bevonatú szerszámok használatát az acélfeldolgozáshoz.
Alacsony grafitfázis-tartalommal egy gyémántszerű bevonatban vagy nagyszámú hidrogénkötéssel ez egy nagy ellenállási értékű dielektrikum lehet. Más esetekben az anyag vezetőképessége alagútképző jellegű . Az ilyen típusú vezetés során az elektronok kvantum-alagút útján mozognak a dielektrikummal körülvett vezető anyagfoltok között. Az eredmény egy olyan folyamat, amely félvezetővé varázsolja az anyagot. Jelenleg kutatások folynak ennek a hatásnak a gyakorlati alkalmazására.
Az APP használata általában növeli az anyag kopásállóságát . A gyémántszerű bevonatot gyakran használják szerszámok bevonására (kivéve a vasalapú ötvözetek megmunkálására szántakat ), például szármarókat , fúrókat , matricákat és öntőformákat . A bevonat növeli a vágóélek keménységét és kopásállóságát, megakadályozza a forgácsok rátapadását a szerszám felületére és csökkenti a súrlódást.
Az APP-t a legmodernebb sportkerékpárok, Forma-1-es versenyautók és NASCAR - autók motorjaiban is használják, valamint a merevlemez- tányérok és -fejek bevonataként a fej meghibásodása elleni védelem érdekében.
Szinte az összes nedves borotválkozáshoz használt többpengés borotva éle gyémántszerű szénbevonatú, hogy csökkentse a súrlódást, megelőzve az érzékeny bőr irritációját.
Az APP jó biokompatibilitással rendelkezik , ami vonzó anyaggá teszi az orvosi alkalmazásokhoz. Az ilyen bevonatokat a mesterséges ízületek élettartamának növelésére, a koszorúér- stentelés során a trombusképződés csökkentésére és a műszív előállítására használják .
Mélyfekete színének, valamint a karcállóságnak és az emberi izzadság agresszív hatásának köszönhetően a gyémántszerű szén dekorációs bevonatként talált alkalmazásra az ékszer- és óragyártásban.