DLC类金刚石涂层

时间：2020-10-20

DLC类金刚石涂层

随着科学技术和材料制备合成技术的进步，新型碳基薄膜材料不断杯发现，较大地丰富了碳基薄膜材料学科。在过去的几十年内，对DLC薄膜的研究工作主要集中在膜层的技术制备、结构测试，各种性能研究以及应用领域发展和拓宽方面，对DLC薄膜材料未来的发展方向，应该从以下几个方面进行深入研究。

基础研究方面

DLC薄膜材料的基础和应用研究范围广泛，但如何通过理论计算、计算机辅助模拟、全新实验手段来深入理解碳基薄膜沉积过程、力学性能以及摩擦学性能的本质值得关注和思考。例如，碳基薄膜C-C骨架形成机理的科学描述，摩擦过程转移膜和石墨化层形成机制及转移膜自身特性揭示，薄膜内应力和硬度等力学性能的本质影响因素，碳基薄膜表面与外界服役环境相互作用机制等。另外，如何准确表征DLC薄膜材料中SP³/SP²杂化键比例，表面悬键和表面官能团的种类和分布，摩擦过程中SP³到SP²杂化键相变的原位测试与描述等，还需要发展新的表征理论和方法。从应用需求和服役工况出发，对薄膜材料微观结构和功能提出新的要求，通过理论计算可从原子、分子、纳米尺度进行薄膜多尺度耦合设计等，同时这对于进一步定义、发现和理解DLC薄膜的基础问题也具有积极的促进作用。

关键技术方面

从根本上来看，DLC薄膜之所以未能在世界范围内获得广泛应用，主要技术瓶颈体现在以下几个方面。

① DLC薄膜在沉积过程中产生较高的内应力，使其与基体（特别是金属材料）的结合力差，膜层容易起皮、脱落，限制了DLC薄膜的沉积厚度。为了克服这一问题，可利用多层膜和梯度膜作为过渡层，金属或非金属掺杂也是行之有效的手段。

② DLC薄膜的热稳定性差，当温度**200°C时即发生氢解离石墨化转变，**450°C时，开始出现明显的氧化现象及完全氢解离，DLC薄膜性能将明显变差，从而限制了其使用范围。目前，主要是通过各种金属或非金属掺杂技术来解决这一问题，达到改善DLC薄膜热稳定性的目的。但是从表现结果来看，其热稳定性仍未得到显着改善，如何通过各种结构和成分设计来有效改善碳基薄膜C-C骨架的稳定性仍然是未来技术突破的重中之重。

③碳基薄膜材料存在韧性低、脆性强以及其摩擦学行为具强环境敏感性等问题，从目前来看，基于元素掺杂、多相复合、非晶-纳米晶复合结构构筑、薄膜内部特殊纳米组织调控、微/纳表界面织构优化等多尺度耦合设计来实现薄膜材料多界面/多结构的跨尺度构筑，可能是获得强韧性和低环境敏感性碳基薄膜的突破口。

随着现代沉积技术和薄膜设计理念的发展，使未来研究人员有可能实现对DLC薄膜微细结构的控制，同时通过与其他技术的复合来逐步改善高的内应力、差的热稳定性以及环境敏感导致的服役寿命不足等核心问题。此外，仍亟须突破大面积均匀沉积、较端尺寸（较端大小、复杂形状）工件镀覆等技术瓶颈。

镀膜装备方面

目前，国际上已经有数十家公司能够提供工艺成熟稳定的类金刚石沉积设备，并已将较先进的技术、较好的服务模式搬到了中国，在中国开办了DLC涂层加工中心或出售各种DLC涂层镀膜系统。虽然国内已有至少30家企业能够生产真空镀膜设备，但由于DLC涂层技术是集真空设备加工、真空获得与控制、电源控制、薄膜材料、等离子体技术、自动化控制于一体的新兴科学技术，在研究、生产、应用等方面对人员的配置有较高的要求，大部分镀膜装备生产厂家主要偏重于镀膜机生产，由于缺乏对使用环境及涂层技术的深入了解，也未加强与涂层使用企业的合作，缺乏相关工艺配套研究，开发技术与装备尚达不到批量生产水平；而相关研究院所虽然开发了一些先进镀膜工艺以及各种镀膜技术，但是缺乏相关成熟配套镀膜设备的一体化开发和制造能力，使国内生产的类金刚石沉积设备在工艺成熟、稳定性和可靠性等方面与国际设备还有非常大的差距。因此，加大我国自主设计、优化与研制设备的力度，开发能够有效稳定的沉积类金刚石的新技术、新设备、大幅度降低高质量沉积薄膜设备的价格，将有利于提高我国在DLC薄膜领域的国际竞争

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词条说明
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