Salutan karbon seperti berlian (DLC) dikenali kerana kualiti mekanikal dan tribologinya yang luar biasa. Kaedah pemendapan wap fizikal seperti percikan, pancaran ion, pemendapan laser berdenyut dan sistem arka vakum katodik biasanya digunakan untuk mencipta salutan ini.
Tetapi, apakah perbezaan antara salutan DLC dan PVD? Bagaimanakah salutan DLC lebih baik daripada Salutan PVD?
PVD, atau Pemendapan Wap Fizikal, ialah kaedah yang melibatkan pengewapan pelbagai logam dan kemudian melapiskannya pada permukaan dalam vakum yang dipanaskan. Manakala salutan DLC ialah kaedah lanjutan untuk salutan filem nipis. Perbezaan utama ialah DLC menggunakan sejenis karbon dan bukannya menyembur pada sekumpulan logam.
Karbon mempunyai saiz atom yang kecil, berdiameter antara ~0.15 hingga ~0.22 nm, dan oleh itu boleh menghasilkan filem tebal dengan faktor pembungkusan yang tinggi.
Gambar oleh Mastars on Unsplash
Bagi kebanyakan proses pemendapan, mekanisme asasnya adalah sama: atom karbon diberi sejumlah tenaga tertentu dan ditumbuk ke dalam substrat. Walau bagaimanapun, setiap proses pemendapan mempunyai jumlah tenaga yang berubah-ubah bagi setiap unit ion. Proses pemendapan yang pelbagai menyediakan salutan DLC dengan sifat yang berbeza.
Kedua-duanya menjalankan fungsi yang sama, tetapi DLC memberikan kemasan yang lebih tinggi, lebih tahan lama dan lebih tahan calar.
Salutan DLC semakin popular dalam industri kerana sifat mekanikal dan tribologinya yang unggul. Salutan DLC adalah lengai secara kimia, bioserasi dan tahan pengoksidaan, dengan kestabilan haba sehingga 300 ° C.
Schmellenmeier menghuraikan salutan karbon yang dihasilkan dengan plasma nyahcas cahaya dengan kehadiran gas asetilena buat kali pertama dalam 1953Lapisan karbon mempamerkan rintangan calar dan kekerasan yang baik. Disebabkan oleh peningkatan perkadaran dan sifat seperti berlian yang ditemui dalam salutan. Jadi, salutan karbon secara beransur-ansur dipanggil DLC.
Bagaimanakah salutan DLC dimendapkan? Apakah teknik yang digunakan untuk salutan filem nipis DLC?
Mari kita terokai ini secara terperinci.
Teknik Pemendapan DLC
Selama beberapa dekad, saintis telah bereksperimen dengan pelbagai kaedah untuk menghasilkan lapisan karbon seperti berlian (DLC). Teknik pemendapan DLC boleh dikategorikan kepada Pemendapan Wap Fizikal (PVD) dan Pemendapan Wap Kimia (CVD) yang merupakan dua kaedah utama untuk menghasilkan lapisan DLC.
Sumber karbon dalam kaedah PVD adalah pepejal (grafit), manakala sumber karbon dalam pendekatan CVD adalah gas (hidrokarbon seperti metana). Proses arka, percikan dan pemendapan wap laser adalah semua jenis PVD.
Frekuensi radio (RF), arus terus (DC), tolok pengionan Penning (PIG) dan nyahcas sendiri adalah semuanya kaedah CVD. Rajah di bawah menggambarkan CVD plasma nyahcas RF, CVD plasma PIG dan PVD arka yang kami gunakan.
Teknik pemendapan boleh dikategorikan kepada enam jenis pendekatan berdasarkan kelaziman fenomena atau jenis interaksi fizikal, kimia atau fizikokimia pada teras atau substrat: mekanikal, termomekanikal, terma, elektrokimia, kimia dan fizikal.
Teknik pemendapan wap kimia berbantukan plasma (PACVD) adalah yang paling banyak digunakan. Teknologi ini membolehkan pembentukan lapisan pada suhu rendah dengan mengaktifkan proses kimia dalam fasa gas, iaitu plasma suhu rendah.
Teknik Pengeluaran DLC
Struktur atom
Apakah jenis ikatan atom yang menyebabkan sifat mekanikal DLC yang baik dihasilkan?
Atom karbon membentuk tiga jenis ikatan yang berbeza: sp1, sp2, dan sp3. Alotrop karbon, seperti grafit dan berlian, dibentuk oleh pelbagai konfigurasi ikatan antara atom karbon. Akibatnya, corak ikatan atom yang menimbulkan mikrostruktur memainkan peranan penting dalam mendorong kualiti bahan termasuk kekerasan, modulus Young, keliatan atau geseran, dan haus, antara lain.
Trend Penambahbaikan dalam salutan DLC
Bagaimanakah kita boleh menambah baik salutan DLC? Apakah trend terkini yang tersedia untuk penambahbaikan dalam salutan DLC?
Trend peningkatan dalam salutan DLC semasa menggunakan doping unsur asing untuk meningkatkan ciri-ciri DLC bermula pada awal 1990sUntuk mencapai sifat yang diingini, salutan DLC telah ditabur bersama pelbagai komponen. Stibium, iodin dan nitrogen untuk kualiti elektrik, kromium dan titanium untuk lekatan, geseran dan haus, perak dan fluorin untuk tujuan perubatan, kuprum untuk antikotoran dan zirkonium adalah antara unsur yang digunakan untuk penambahbaikan kakisan.
Walau bagaimanapun, telah didapati bahawa peningkatan beberapa kualiti DLC dengan doping unsur asing memerlukan pertukaran pada ciri-ciri lain.
Banyak kajian telah dilakukan untuk meningkatkan ketahanan dan geseran DLC dengan mendop elemen logam dalam julat 0.2 peratus hingga 20% untuk mengimbangi kekerasan dan kadar haus DLC. Beberapa kajian tentang kekerasan, ketahanan, tegasan, geseran dan haus DLC berhubung dengan pendopan logam telah diterbitkan.
Contohnya, pengurangan tegasan baki daripada 2.5 kepada 0.5 GPa dan pekali geseran daripada 0.12 kepada 0.03 dengan 18 peratus aluminium mengurangkan kekerasan daripada 24 kepada 8 GPa sambil meningkatkan kadar haus daripada 2.5*3^10^-8 kepada 13*3^10^-8 mm3/Nm.
Begitu juga, pendopan titanium dalam DLC menurunkan tegasan baki daripada 0.9 kepada 0.3 GPa dan pekali geseran daripada ~1.0 kepada ~0.05, tetapi ia juga menurunkan kekerasan daripada ~10.5 kepada ~9 GPa.
Penambahbaikan dalam salutan DLC oleh nanokomposit DLC yang didop
Substrat untuk salutan DLC
Apakah jenis substrat yang boleh digunakan untuk salutan DLC? Adakah terdapat sebarang pra-rawatan yang diperlukan untuk substrat?
Terdapat pelbagai jenis substrat yang boleh digunakan untuk salutan DLC. Walau bagaimanapun, substrat mesti menanggung sebahagian besar beban yang dikenakan tetapi salutan DLC mempunyai lapisan semula jadi yang sangat nipis. Jadi, ubah bentuk plastik akan berlaku jika substrat tidak cukup kuat untuk menyokong beban sentuhan dan seterusnya salutan, mengakibatkan kegagalan salutan awal.
Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, tugas menambah baik sifat salutan DLC keras melalui pra-rawatan substrat termo-kimia telah mendapat banyak perhatian, yang membawa kepada pembangunan kaedah baharu yang dikenali sebagai rawatan dupleks.
Nitriding plasma substrat keluli sebelum pemendapan salutan telah digunakan secara meluas untuk meningkatkan kualiti mekanikal substrat dan salutan. Nitriding plasma substrat keluli telah terbukti dapat meningkatkan keupayaan membawa beban komposit salutan-substrat.
DLC mungkin tidak melekat pada substrat secara langsung dalam beberapa keadaan (keluli tahan karat yang dirawat). Pada masa yang sama, bahan lapisan perantaraan digunakan untuk kemasan salutan DLC bagi meningkatkan lekatan.
Prestasi tribologi Salutan DLC
Apakah prestasi tribologi salutan DLC dalam persekitaran lembap dan kering? Berapakah manfaatnya?
Berbanding dengan bahan pukal dan permukaan bersalut tahan haus yang lain, salutan karbon seperti berlian (DLC) mempunyai geseran yang rendah dan rintangan haus yang hebat. Prestasi geseran dan haus filem DLC sangat dipengaruhi oleh persekitaran sekitar, termasuk atmosfera gas, kelembapan dan suhu. Filem DLC yang sangat terhidrogenasi mempunyai geseran yang minimum dalam persekitaran kering dan lengai, tetapi filem DLC bebas hidrogen mempunyai geseran dan haus yang tinggi.
Dalam persekitaran lembap, pekali geseran kedua-dua jenis filem DLC adalah serupa, antara 0.05 hingga 0.2, dan filem DLC bebas hidrogen memberikan rintangan haus yang terbaik. Ciri-ciri tribologi yang bermanfaat bagi filem DLC terhidrogenasi mungkin terganggu pada suhu tinggi disebabkan oleh pengaliran hidrogen dan penggrafitan struktur filem pada suhu rendah. Sebaliknya, filem DLC bebas hidrogen boleh menahan suhu yang lebih tinggi walaupun mempunyai pekali geseran yang lebih tinggi.
Berbanding dengan kebanyakan bahan pukal, salutan DLC boleh dianggap sebagai salutan geseran rendah dengan rintangan haus yang hebat, seperti salutan seramik tahan haus seperti TiN. Dalam persekitaran biasa, TiN mempunyai pekali geseran kira-kira 0.5 apabila dibandingkan dengan keluli, manakala filem DLC mempunyai nilai geseran kurang daripada 0.2. Apabila dibandingkan dengan keluli yang dilincirkan sempadan berbanding sentuhan keluli, salutan DLC sering menunjukkan tahap geseran yang serupa dalam sentuhan tidak dilincirkan.
Bahagian automotif bersalut DLC
Dalam sentuhan gelongsor, salutan DLC mengatasi kebanyakan bahan dan salutan tahan haus, kerana kadar haus filem DLC adalah dua hingga tiga peringkat magnitud lebih rendah daripada, sebagai contoh, salutan TiN.
Teknik pemendapan dan parameter pemendapan mengawal selia pelbagai komposisi dan struktur dalam filem DLC. Seperti yang dibincangkan dalam pelbagai kajian, komposisi filem, serta parameter ujian (beban dan kelajuan), persekitaran ujian, suhu dan bahan permukaan hadapan, mempengaruhi prestasi geseran dan haus filem DLC.
Sifat-sifat Salutan DLC
Berapa banyak salutan DLC yang stabil? Apakah jenis sifat yang perlu dipertimbangkan?
Salutan DLC adalah lengai secara kimia, bioserasi dan tahan pengoksidaan, dengan kestabilan terma sehingga 300 ° CWalau bagaimanapun, selain kelebihan yang dinyatakan di atas, salutan DLC mempunyai tegasan baki yang besar dan keliatan yang rendah, sekali gus mengehadkan penggunaannya dalam pelbagai aplikasi, terutamanya dari segi prestasi mekanikal.
Kekerasan yang tinggi, rintangan haus, pekali geseran yang rendah, penebat yang tinggi, kestabilan kimia yang tinggi, keupayaan penghalang gas yang tinggi, kualiti anti-pembakaran yang tinggi, biokompatibiliti yang tinggi dan kebolehtelapan inframerah yang tinggi adalah semua ciri filem DLC. Suhu rendah (200 ° C) Filem DLC dengan permukaan rata boleh dibuat.
Aplikasi Perindustrian
Salutan karbon seperti berlian (DLC) telah muncul sebagai penyelesaian terbaik untuk aplikasi fizikal yang mencabar di mana komponen tertakluk kepada beban tinggi atau geseran, haus dan sentuhan yang berlebihan dengan bahagian lain dalam dunia filem nipis tahan haus. Hanya kekerasan salutan DLC yang hebat, bersama-sama dengan pekali geseran yang rendah, boleh menghalang bahagian daripada berlubang, menggaru, tersepit dan akhirnya gagal di lapangan dalam keadaan ini.
Secara amnya, salutan DLC digunakan untuk kebanyakan aplikasi yang telah ditekankan oleh salutan PVD — kecuali instrumen pemotong yang tertakluk kepada suhu operasi yang tinggi. Salutan DLC amat bermanfaat apabila pengurangan haus dan geseran dikehendaki. Salutan DLC juga memberikan kemasan hitam yang menyenangkan mata.
Berikut adalah beberapa contoh aplikasi biasa:
- Automobil: Pin omboh dan lengan rocker digunakan dalam automobil.
- Perubatan: instrumen pembedahan, prostetik
- Senjata Api: Slaid pistol, laras, dan pembawa bolt adalah semua contoh senjata api.
- Komponen industri: Omboh, pelocok, gear dan pengedap mekanikal adalah contoh komponen dan jentera industri.
- Acuan suntikan: Acuan, pin ejektor dan bahagian mesin gelongsor semuanya digunakan dalam pengacuan suntikan.
- Barangan Pengguna: Jam tangan, barang kemas dan kayu golf adalah contoh barangan pengguna.
Bahan bersalut DLC juga boleh digunakan untuk memanjangkan hayat dan keberkesanan prob perubatan, kateter dan implan jantung. DLC juga telah dialoi dengan logam antimikrob seperti perak; perak bukan sahaja menurunkan tekanan mampatan, tetapi ia juga mempunyai ciri-ciri antibakteria. Walaupun banyak kerja telah dilakukan, lebih banyak kajian diperlukan untuk mencipta dan mengkomersialkan peranti perubatan berasaskan DLC.
Kesimpulan
Kedua-dua lapisan PVD dan DLC mempunyai persamaan dalam mekanisme pemendapan. Manakala, disebabkan saiz atom karbon yang kecil, ia boleh menghasilkan lapisan tebal dengan faktor pembungkusan yang tinggi. Pemendapan wap fizikal (PVD) dan pemendapan wap kimia (CVD) adalah dua kaedah utama untuk memendapkan lapisan DLC.
Terdapat tiga jenis ikatan sp1, sp2, dan sp3 yang bertanggungjawab untuk sifat mekanikal yang baik. Salutan DLC boleh diperbaiki dengan mendopan dengan elemen lain. Pelbagai jenis substrat boleh digunakan untuk salutan DLC. Namun, pra-rawatan substrat telah mendapat banyak perhatian dan dikenali sebagai rawatan dupleks.
Salutan DLC menunjukkan prestasi tribologi terbaik dalam persekitaran lembap dan kering. Salutan ini stabil sehingga 300 ° CTerdapat aplikasi salutan DLC yang luas dalam komponen automobil, perubatan, pengacuan suntikan dan perindustrian.
Adakah ia membantu anda? Jika anda mempunyai pandangan lain tentang blog ini, sila komen di bawah.
