تُعرف الطلاءات الكربونية الشبيهة بالألماس (DLC) بخصائصها الميكانيكية والترايبولوجية الاستثنائية. تُستخدم عادةً طرق ترسيب البخار الفيزيائي مثل الرش، والشعاع الأيوني، وترسيب الليزر النبضي، وأنظمة قوس الفراغ الكاثودي لإنشاء هذه الطلاءات.
ولكن، ما هو الفرق بين طلاء DLC وطلاء PVD؟ كيف يكون طلاء DLC أفضل من طلاء PVD؟
PVD، أو الترسيب الفيزيائي للبخار، هي طريقة تتضمن تبخير مجموعة متنوعة من المعادن ثم وضعها على سطح في فراغ ساخن. في حين أن طلاء DLC هو طريقة متقدمة لطلاء الأغشية الرقيقة. والفرق الأساسي هو أن DLC يستخدم نوعًا من الكربون بدلاً من الرش على مجموعة من المعادن.
يمتلك الكربون حجمًا ذريًا صغيرًا، يتراوح قطره من ~0.15 إلى ~0.22 نانومتر، وبالتالي يمكن أن يخلق طبقة سميكة ذات عامل تعبئة عالي.
حسنًا، بالنسبة لمعظم عمليات الترسيب، فإن الآلية الأساسية هي نفسها: تُعطى ذرات الكربون كمية معينة من الطاقة وتضرب في الركيزة. ومع ذلك، فإن كل عملية ترسيب لها كمية متغيرة من الطاقة لكل وحدة أيون. توفر عمليات الترسيب المتنوعة لطلاءات DLC خصائص مختلفة.
كلاهما يؤدي نفس الوظيفة، لكن DLC يوفر لمسة نهائية أعلى وأكثر متانة وأكثر مقاومة للخدش.
تكتسب طلاءات DLC شعبية في الصناعة بسبب خصائصها الميكانيكية والتربولوجية الفائقة. تعتبر طلاءات DLC خاملة كيميائيًا، ومتوافقة حيويًا، ومقاومة للأكسدة، مع ثبات حراري يصل إلى 300 درجة مئوية.
وصف شميلينماير الطلاءات الكربونية المنتجة ببلازما التفريغ المتوهج في وجود غاز الأسيتيلين لأول مرة في عام 1953. أظهرت طبقة الكربون مقاومة جيدة للخدش وصلابة. بسبب زيادة نسبة الماس والخصائص المكتشفة في الطلاءات. لذلك، تسمى الطلاءات الكربونية تدريجيا DLC.
كيف يتم ترسيب طلاء DLC؟ ما هي التقنيات المستخدمة لطلاء الأغشية الرقيقة DLC؟
دعنا نستكشف هذا بالتفصيل.
تقنيات ترسيب DLC
لعدة عقود، جرب العلماء طرقًا عديدة لتوليد طبقات الكربون الشبيهة بالألماس (DLC). يمكن تصنيف تقنيات ترسيب DLC إلى ترسيب البخار الفيزيائي (PVD) وترسيب البخار الكيميائي (CVD) وهما الطريقتان الرئيسيتان لإنشاء طبقات DLC.
مصدر الكربون في طريقة PVD هو مادة صلبة (الجرافيت)، في حين أن مصدر الكربون في طريقة CVD هو غاز (هيدروكربون مثل الميثان). إن عمليات ترسيب القوس، والرش، وبخار الليزر هي جميع أنواع PVD.
التردد الراديوي (RF)، والتيار المباشر (DC)، ومقياس التأين (PIG)، والتفريغ الذاتي كلها طرق للأمراض القلبية الوعائية. يوضح الشكل أدناه بلازما تفريغ الترددات اللاسلكية (CVD)، وPIG بلازما CVD، وPVD القوسي الذي استخدمناه.
يمكن تصنيف تقنية الترسيب إلى ستة أنواع من الأساليب القائمة على انتشار الظواهر أو نوع التفاعل الفيزيائي أو الكيميائي أو الفيزيائي الكيميائي على القلب أو الركيزة: الميكانيكية والميكانيكية الحرارية والحرارية والكهروكيميائية والكيميائية والفيزيائية.
تعد تقنيات ترسيب البخار الكيميائي بمساعدة البلازما (PACVD) هي الأكثر استخدامًا فيما بينها. وتتيح هذه التقنيات تكوين الطبقات عند درجات حرارة منخفضة من خلال تنشيط العمليات الكيميائية في الطور الغازي، وهو عبارة عن بلازما منخفضة الحرارة.
تقنيات إنتاج DLC
التركيب الذري
ما نوع الترابط الذري الذي يسبب إنتاج خواص ميكانيكية جيدة لـ DLC؟
تشكل ذرات الكربون ثلاثة أنواع مختلفة من الروابط: sp1 وsp2 وsp3. وتتشكل أشكال الكربون المتآصلة، مثل الجرافيت والماس، من خلال تكوينات رابطة مختلفة بين ذرات الكربون. ونتيجة لذلك، تلعب أنماط الرابطة الذرية التي تؤدي إلى البنية الدقيقة دورًا رئيسيًا في إحداث صفات المواد بما في ذلك الصلابة، ومعامل يونج، والصلابة أو الاحتكاك، والتآكل، وغيرها.
اتجاهات التحسين في طلاء DLC
كيف يمكننا تحسين طلاء DLC؟ ما هي أحدث الاتجاهات المتاحة لتحسين طلاء DLC؟
بدأ اتجاه التحسين في طلاء DLC أثناء استخدام منشطات العناصر الأجنبية لتحسين خصائص DLC في وقت مبكر 1990. لتحقيق الخصائص المطلوبة، تم رش الطلاءات DLC مع مجموعة متنوعة من المكونات. كان الستيبيوم واليود والنيتروجين للصفات الكهربائية، والكروم والتيتانيوم للالتصاق والاحتكاك والتآكل، والفضة والفلور للأغراض الطبية، والنحاس لمنع الحشف على السفن، والزركونيوم من بين العناصر المستخدمة لتحسين التآكل.
ومع ذلك، فقد تم اكتشاف أن تحسين بعض صفات المحتوى القابل للتنزيل (DLC) باستخدام منشطات العناصر الأجنبية يستلزم مقايضة خصائص أخرى.
تم إجراء العديد من الدراسات لزيادة صلابة واحتكاك مادة DLC عن طريق تطعيم العناصر المعدنية في حدود 0.2 بالمائة إلى 20% للتعويض عن صلابة DLC ومعدل التآكل. تم نشر القليل من الأبحاث حول صلابة DLC ومتانتها وإجهاداتها واحتكاكها وتآكلها فيما يتعلق بالتشويب المعدني.
على سبيل المثال، تقليل الإجهاد المتبقي من 2.5 إلى 0.5 جيجا باسكال ومعامل الاحتكاك من 0.12 إلى 0.03 باستخدام 18 بالمائة من الألومنيوم يقلل الصلابة من 24 إلى 8 جيجا باسكال مع زيادة معدل التآكل من 2.5*3^ 10^-8 إلى 13* 3^10^-8 مم3 / نيوتن متر.
وبالمثل، فإن تطعيم التيتانيوم في DLC يخفض الضغط المتبقي من 0.9 إلى 0.3 GPa ومعامل الاحتكاك من ~ 1.0 إلى ~ 0.05، ولكنه يقلل أيضًا من الصلابة من ~ 10.5 إلى ~ 9 GPa.
تحسين طلاء DLC بواسطة مركب DLC النانوي المخدر
الركيزة لطلاء DLC
ما نوع الركيزة التي يمكن استخدامها لطلاء DLC؟ هل هناك أي معالجة مسبقة مطلوبة للركيزة؟
هناك مجموعة واسعة من الركائز التي يمكن استخدامها لطلاء DLC. ولكن، يجب أن تتحمل الركيزة معظم الأحمال المطبقة ولكن طلاءات DLC لها طبقة طبيعية رقيقة جدًا. لذلك، سوف يحدث تشوه البلاستيك إذا لم تكن الركيزة قوية بما يكفي لدعم حمل التلامس وبالتالي الطلاء، مما يؤدي إلى فشل الطلاء المبكر.
في السنوات الأخيرة، حظيت مهمة تحسين خصائص طلاءات DLC الصلبة عن طريق المعالجة المسبقة للركيزة الحرارية والكيميائية بالكثير من الاهتمام، مما أدى إلى تطوير طريقة جديدة تعرف باسم علاج مزدوج.
لقد تم استخدام عملية النترتة البلازمية للركيزة الفولاذية قبل ترسيب الطلاء على نطاق واسع لتحسين الخواص الميكانيكية للركيزة والطلاء. وقد ثبت أن عملية النترتة البلازمية للركيزة الفولاذية تزيد من قدرة مركب الطلاء والركيزة على تحمل الأحمال.
قد لا يلتصق DLC بالركيزة مباشرة في بعض الظروف (الفولاذ المقاوم للصدأ المعالج). وفي الوقت نفسه، تم استخدام مواد الطبقة المتوسطة لإنهاء طلاءات DLC من أجل تحسين الالتصاق.
الأداء القبلي لطلاء DLC
ما هو الأداء الاحتكاكي لطلاء DLC في بيئة رطبة وجافة؟ كم هو مفيد؟
بالمقارنة مع المواد السائبة وغيرها من الأسطح المطلية المقاومة للتآكل، تتميز الطلاءات الكربونية الشبيهة بالألماس (DLC) باحتكاك منخفض ومقاومة كبيرة للتآكل. يتأثر أداء الاحتكاك والتآكل لأفلام DLC بشكل كبير بالبيئة المحيطة، بما في ذلك جو الغاز والرطوبة ودرجة الحرارة. تتمتع أفلام DLC عالية الهدرجة بالحد الأدنى من الاحتكاك في البيئات الجافة والخاملة، لكن أفلام DLC الخالية من الهيدروجين تتميز بقدرة عالية على الاحتكاك والتآكل.
في البيئة الرطبة، يكون معامل الاحتكاك لكلا النوعين من أفلام DLC متشابهًا، ويتراوح من 0.05 إلى 0.2، وتوفر أفلام DLC الخالية من الهيدروجين أفضل مقاومة للتآكل. الخصائص القبلية المفيدة لل أفلام DLC المهدرجة قد تتعطل عند درجات حرارة عالية بسبب انصباب الهيدروجين وجرافيت بنية الفيلم عند درجات حرارة منخفضة. من ناحية أخرى، يمكن لأفلام DLC الخالية من الهيدروجين أن تتحمل درجات حرارة أعلى على الرغم من وجود معامل احتكاك أعلى.
بالمقارنة مع معظم المواد السائبة، يمكن اعتبار طلاءات DLC بمثابة طلاءات منخفضة الاحتكاك مع مقاومة تآكل كبيرة، مثل الطلاءات الخزفية المقاومة للتآكل مثل TiN. في البيئة العادية، يكون معامل الاحتكاك TiN تقريبًا 0.5 بالمقارنة مع الفولاذ، في حين أن أفلام DLC لها قيمة احتكاك أقل من 0.2. عند مقارنتها بالصلب المشحم مقابل وصلات الفولاذ، فإن طلاءات DLC غالبًا ما تظهر مستويات احتكاك مماثلة في نقاط الاتصال غير المشحمة.
قطع غيار السيارات المطلية بـ DLC
في الاتصالات المنزلقة، تتفوق طلاءات DLC على معظم المواد والطلاءات المقاومة للتآكل، حيث أن معدلات تآكل أفلام DLC أقل بمقدار مرتين إلى ثلاثة أوامر من طلاءات TiN على سبيل المثال.
تنظم تقنية الترسيب ومعلمات الترسيب مجموعة واسعة من التركيبات والهياكل في أفلام DLC. كما تمت مناقشته في العديد من الأبحاث، فإن تركيبة الفيلم، بالإضافة إلى معلمات الاختبار (الحمل والسرعة)، وبيئة الاختبار، ودرجة الحرارة، ومواد الواجهة، تؤثر على أداء الاحتكاك والتآكل لأفلام DLC.
خصائص طلاء DLC
ما مقدار طلاء DLC المستقر؟ ما هو نوع الخصائص التي ينبغي النظر فيها؟
تعتبر طلاءات DLC خاملة كيميائيًا، ومتوافقة حيويًا، ومقاومة للأكسدة، مع ثبات حراري يصل إلى 300 درجة مئوية. ومع ذلك، بالإضافة إلى المزايا المذكورة أعلاه، تتمتع طلاءات DLC بضغوط متبقية كبيرة وصلابة منخفضة، مما يحد من استخدامها في نطاق واسع من التطبيقات، لا سيما فيما يتعلق بالأداء الميكانيكي.
الصلابة العالية، ومقاومة التآكل، ومعامل الاحتكاك المنخفض، والعزل العالي، والثبات الكيميائي العالي، وقدرات حاجز الغاز العالية، والصفات العالية المضادة للاحتراق، والتوافق الحيوي العالي، ونفاذية الأشعة تحت الحمراء العالية، كلها خصائص لأفلام DLC. درجة حرارة منخفضة (200 ° C) يمكن صناعة أفلام DLC ذات الأسطح المسطحة.
تطبيقات صناعية
ظهرت الطلاءات الكربونية الشبيهة بالألماس (DLC) كأفضل حل للتطبيقات الفيزيائية الصعبة حيث تتعرض المكونات لأحمال عالية أو احتكاك مفرط وتآكل وتلامس مع أجزاء أخرى في عالم الأغشية الرقيقة المقاومة للتآكل. فقط الصلابة الكبيرة لطلاء DLC، إلى جانب معامل الاحتكاك المنخفض، يمكن أن تمنع الأجزاء من الحفر، والتهيج، والإمساك، والفشل في النهاية في الحقل في هذه الظروف.
بشكل عام، يتم استخدام طلاءات DLC في العديد من التطبيقات التي تم التركيز على طلاءات PVD لها - باستثناء أدوات القطع التي تتعرض لدرجات حرارة تشغيل عالية. تعد طبقات DLC مفيدة بشكل خاص عند الرغبة في تقليل التآكل والاحتكاك. توفر طلاءات DLC أيضًا لمسة نهائية سوداء ممتعة للعين.
فيما يلي بعض الأمثلة على التطبيقات الشائعة:
- السيارات: يتم استخدام دبابيس المكبس وأذرع الروك في السيارات.
- الطبية: الأدوات الجراحية والأطراف الصناعية
- الأسلحة النارية: شرائح المسدس والبراميل وحاملات البراغي كلها أمثلة على الأسلحة النارية.
- المكونات الصناعية: المكابس، الغطاسات، التروس، والأختام الميكانيكية هي أمثلة على المكونات والآلات الصناعية.
- قولبة الحقن: يتم استخدام القوالب ودبابيس القاذف وأجزاء الآلة المنزلقة في قولبة الحقن.
- السلع الاستهلاكية: ساعات اليد والمجوهرات ونوادي الجولف هي أمثلة على السلع الاستهلاكية.
يمكن أيضًا استخدام المواد المطلية بـ DLC لإطالة عمر وفعالية المجسات الطبية والقسطرة وزراعة القلب. تم أيضًا خلط DLC بمعادن مضادة للميكروبات مثل الفضة. لا تقلل الفضة من ضغوط الضغط فحسب، ولكنها تمتلك أيضًا خصائص مضادة للبكتيريا. على الرغم من أنه تم إنجاز الكثير من العمل بالفعل، إلا أن هناك حاجة إلى مزيد من الأبحاث لإنشاء وتسويق الأجهزة الطبية القائمة على المحتوى القابل للتنزيل (DLC).
خاتمة
طلاء PVD وDLC لهما أوجه تشابه في آليات الترسيب. وحيث أنه نظرًا لصغر حجم ذرات الكربون، فإنه يمكن أن يشكل طبقة سميكة ذات عامل تعبئة مرتفع. يعد ترسيب البخار الفيزيائي (PVD) وترسيب البخار الكيميائي (CVD) طريقتين رئيسيتين لترسيب طلاء DLC.
هناك ثلاثة أنواع من الروابط sp1 وsp2 وsp3 المسؤولة عن الخواص الميكانيكية الجيدة. يمكن تحسين طلاء DLC عن طريق التطعيم بعناصر أخرى. يمكن استخدام مجموعة واسعة من الركائز لطلاء DLC. لكن المعالجة المسبقة للركيزة حظيت بالكثير من الاهتمام وتُعرف بالعلاج المزدوج.
يُظهر طلاء DLC أفضل أداء احتكاكي في البيئات الرطبة والجافة. هذا الطلاء مستقر حتى 300 درجة مئوية. هناك تطبيق واسع النطاق لطلاء DLC في السيارات والطب وقولبة الحقن والمكونات الصناعية.
كان من المفيد بالنسبة لك؟ إذا كان لديك أي آراء أخرى حول هذه المدونة. دعنا نعلم بتعليقك بالأسفل.
