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1、前言
類金剛石，英文為Diamond-like Carbon，簡稱DLC，它是一類性能非常類似于金剛石的非晶碳膜。它具有和金剛石相似的性能，如高硬度、低摩擦系數(shù)、高彈性模量、高電阻率、良好的聲學(xué)性能、高的紅外透過率等。因此是一種非常有前途的材料。1971年Aisenberg和Chabot首先報(bào)道了在常溫下獲得了一種物理化學(xué)性能非常接近或類似金剛石的硬制碳膜，由X光衍射推斷出這種硬質(zhì)碳膜存在著晶格結(jié)構(gòu)類似于金剛石的微晶區(qū)，他們稱它為類金剛石（DLC）膜。實(shí)際上，在自然狀態(tài)下碳存在著兩種晶態(tài)單質(zhì)，一種是四面體SP3鍵的金剛石晶體結(jié)構(gòu)，另一種是層狀結(jié)構(gòu)SP2鍵的石墨晶體。而類金剛石就是含有SP3和SP2兩種鍵混雜的非晶碳材料。隨著研究的深入，人們發(fā)現(xiàn)不僅類金剛石具有非常優(yōu)異的各種性能，而且可以通過目前擁有的各種物理氣相沉積方法獲得，包括磁控濺射、電弧離子鍍、磁過濾陰極電弧鍍、離子束沉積、離子束增強(qiáng)沉積、離子源沉積、激光沉積等方法。類金剛石膜和金剛石膜相比，具有制備方法多、面積大、成本低、應(yīng)用面廣等優(yōu)勢。因此類金剛石膜已開始得到廣泛的應(yīng)用，如應(yīng)用于工具、模具、刮胡刀片、手術(shù)刀、汽車零部件（活塞、活塞銷、柱塞、門鎖等）、滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)部件（軸承、齒輪）、硬盤、磁盤保護(hù)膜、聲學(xué)部件（高音喇叭振膜）、光學(xué)部件（減反射膜、紅外透過膜、玻璃、塑料透明保護(hù)膜）、醫(yī)學(xué)部件（心臟瓣膜、關(guān)節(jié)部件）、電子部件（絕緣電阻、平板發(fā)射器）等等。本文主要綜述類金剛石膜的機(jī)械性能和在工模具上的應(yīng)用。
2、類金剛石膜的機(jī)械性能
2.1 硬度
類金剛石膜的硬度變化范圍較大，從Hv1000到HV8000。主要原因是由于類金剛石膜是由SP3和SP2鍵混合構(gòu)成的非晶碳膜，一般來說SP3鍵的含量決定了膜的硬度，SP3鍵含量越高，膜的硬度也越高。同時(shí)由于有的類金剛石中還含有其他元素，如H、F、Ti、W等，這些元素的含量也影響膜的硬度。制備方法不同，所得到的類金剛石膜的硬度差異也較大。我們采用等離子增強(qiáng)的化學(xué)氣相沉積（PCVD）方法得到的透明類金剛石膜的硬度在HV1000左右，采用離子源和磁控濺射相結(jié)合的技術(shù)得到的摻Ti的類金剛石膜，其硬度在HV2000左右，而采用電弧離子鍍技術(shù)制備的類金剛石膜，其硬度可達(dá)HV5000以上。目前采用磁過濾的陰極電弧鍍技術(shù)得到的無H的類金剛石膜，其硬度最大，可達(dá)HV8000左右。類金剛石膜較寬的硬度范圍使得其應(yīng)用的適應(yīng)性較強(qiáng)，你可以根據(jù)應(yīng)用的要求，選擇所需要的硬度范圍。
2.2 摩擦系數(shù)
DLC膜具有優(yōu)異的耐磨性，低的摩擦系數(shù)，一般低于0.2，因此是一種優(yōu)異的表面抗磨損的表面強(qiáng)化薄膜。DLC的摩擦系數(shù)隨制備工藝的不同和膜中成分的變化而變化，其摩擦系數(shù)最低可達(dá)0.005。摻雜金屬元素可能降低其摩擦系數(shù)，但加入H能提高潤滑作用，環(huán)境也對摩擦系數(shù)有一定的影響。但總的來說，DLC膜和傳統(tǒng)的硬質(zhì)薄膜，如TiN、TiCN、TiAlN等相比，在摩擦系數(shù)方面具有明顯優(yōu)勢，這些傳統(tǒng)涂層的摩擦系數(shù)都大于0.4。因此DLC有可能在許多摩擦學(xué)領(lǐng)域替代這些涂層。DLC膜低的磨損率來自于它低的摩擦系數(shù)和交界層的低剪切應(yīng)力。我們采用離子源和磁控濺射復(fù)合技術(shù)制備的摻雜Ti的DLC的摩擦系數(shù)，大約為0.16左右。
2.3 表面狀態(tài)
DLC膜表面一般比較光潔，對基材的表面光潔度沒有太大的影響，但隨著膜厚的增加，表面光潔度會(huì)下降。不同的工藝所得到的DLC膜的光潔度是不同的。一般采用磁過濾陰極電弧鍍技術(shù)、磁控濺射技術(shù)、離子源技術(shù)、PCVD技術(shù)所制備的DLC膜表面很光潔，采用電弧離子鍍技術(shù)制備的DLC膜，由于存在大的碳顆粒而降低了表面光潔度。我們采用不同的技術(shù)制備的DLC膜，表面光潔度還是存在較大的差異，離子源技術(shù)明顯優(yōu)于電弧離子鍍技術(shù)。
2.4 結(jié)合強(qiáng)度
任何膜層和基材都存在結(jié)合強(qiáng)度的問題，同時(shí)結(jié)合強(qiáng)度是一個(gè)非常復(fù)雜的問題，受許多因素的影響。一般來說，DLC膜與基材的結(jié)合強(qiáng)度較差，這主要是由于DLC含有較高的熱應(yīng)力和本征應(yīng)力造成的。因此很少有在基材上直接沉積DLC膜的。一般都采用過渡層技術(shù)或摻雜金屬的辦法來提高DLC膜與基材的結(jié)合強(qiáng)度。目前結(jié)合強(qiáng)度的問題已得到解決，已完全能滿足實(shí)際的要求。我們曾設(shè)計(jì)了Ti/TiN/TiCN/DLC這樣的過渡層，已大大提高了膜/基結(jié)合強(qiáng)度。目前我們已能制備總體厚度達(dá)5!m的DLC膜層。
2.5 熱穩(wěn)定性
由于DLC屬亞穩(wěn)態(tài)的材料，因此其熱穩(wěn)定性較差，一般在400℃開始向石墨轉(zhuǎn)變，這大大限制了DLC膜的應(yīng)用。為此，人們開展了大量的研究工作，試圖提高它的熱穩(wěn)定性。通過大量研究，人們發(fā)現(xiàn)摻雜其他元素的辦法可以提高其熱穩(wěn)定性。有實(shí)驗(yàn)表明：摻雜Si可以明顯改善DLC膜的熱穩(wěn)定性，含20%Si的DLC膜在740℃時(shí)才出現(xiàn)SP3向SP2的轉(zhuǎn)化。同樣摻雜金屬W、Ti也可提高DLC膜的熱穩(wěn)定性。
2.6 表面抗粘結(jié)性
DLC膜有很好的抗粘結(jié)性，特別是對有色金屬、如銅、鋁、鋅等，對塑料、橡膠、陶瓷等也有抗粘結(jié)性。
2.7 楊氏模量
DLC膜具有較高的楊氏模量，雖然明顯低于金剛石的楊氏模量（1100Gpa），但高于一般金屬和陶瓷的楊氏模量。由于制備技術(shù)的不同和摻雜元素含量的差異，其楊氏模量的變化范圍較大。
2.8 耐腐蝕性
純DLC膜具有優(yōu)異的耐蝕性，各類酸、堿甚至王水都很難侵蝕它。但摻雜有其他元素的DLC膜的耐蝕性有所下降，這是因?yàn)閾诫s的元素首先被侵蝕，從而破壞了膜的連續(xù)性。雖然DLC具有極好的耐蝕性，但它作為耐蝕涂層還存在一些問題，主要是由于膜層較薄，膜層中細(xì)小的針孔可能是貫穿的，從而使腐蝕介質(zhì)通過這些針孔達(dá)到基材而將其腐蝕。
總之，通過上述DLC膜性能的描述，我們確信DLC膜是一種工模具表面強(qiáng)化的優(yōu)異涂層材料。
3、DLC膜在工模具上的應(yīng)用
3.1 鉆頭、銑刀
DLC膜可以應(yīng)用鉆頭和銑刀上，特別是摻雜金屬的DLC膜，它不僅具有高的硬度，還具有低的摩擦系數(shù)、抗有色金屬粘結(jié)。荷蘭的Hauzer公司制備的TiAlN+W-C:H涂層（頂層為摻雜W的DLC），在銑削鋼材時(shí)，其性能明顯優(yōu)于單層的TiAlN。銑刀壽命長、工件溫度降低、粗糙度降低。在加工鋁合金和銅合金時(shí)，具有刀具壽命長、抗金屬粘結(jié)、增加光潔度的效果。
3.2 光盤模具
光盤模具是生產(chǎn)CD、CDR的重要工具，為了減少它與母盤（鎳盤）的摩擦，希望光盤模具表面光滑且摩擦系數(shù)小，以前采用TiN涂層，但由于TiN涂層的摩擦系數(shù)較高，約0.6左右，因此，光盤模具的使用壽命仍然不高。目前日本、新加坡采用DLC涂層，大大提高了光盤模具的壽命和盤片的質(zhì)量。我們制備的DLC涂層也開始應(yīng)用于該領(lǐng)域，并取得了成功。圖1為我院制備的DLC涂層光盤模具，其壽命已達(dá)到可開啟400萬次。
3.3 沖模
由于DLC膜與有色金屬、塑料等材料不易粘著，因此，在有色金屬?zèng)_孔、翻邊、裁斷等方面有優(yōu)勢，不易產(chǎn)生毛刺、劃痕等，可用于各類凸模、裁斷刀等。如印刷用PS板的裁斷、鋁合金板翻邊等。圖2是我院制備的DLC膜強(qiáng)化的空調(diào)器翻邊凸模，其壽命已延長了3倍以上，沖數(shù)達(dá)800萬次以上。
3.4 陶瓷粉末成型模具
陶瓷模具是將各種陶瓷粉末與粘合劑一道通過高壓成型，鍍有DLC膜的模具可防止陶瓷粉末的粘結(jié)、硬質(zhì)合金中鈷的脫落，從而保證模具成型面的鏡面效果，同時(shí)延長使用壽命。
3.5 塑膠成型模具
對ABS、PA、PE、PS、PVC、PET等塑膠射出成型動(dòng)模、鑲件等進(jìn)行DLC處理，可提高脫模性、耐磨性等。
3.6 引線框彎曲模具
在錫焊半導(dǎo)體引線框彎曲加工方面，存在模具清潔周期長等問題，采用DLC膜處理模具后，使模具上的凝固物易于清洗，從而使清潔周期縮短，有報(bào)道稱變?yōu)樵瓉淼?/4，同時(shí)降低了生產(chǎn)成本。
3.7 玻璃鏡片成型模具
將DLC膜沉積在玻璃模具上，可作為防止熔融玻璃在模具上熔結(jié)的脫模劑，從而延長模具使用壽命、提高玻片質(zhì)量。
3.8 鎂合金加工模具
基于輕量化以及循環(huán)經(jīng)濟(jì)的考慮，鎂合金由于具有這兩個(gè)特點(diǎn)而受到青睞，其用量日益增加，在家用電器、筆記本電腦外殼、汽車部件等上得到應(yīng)用。對鎂合金板材溫軋深加工模具進(jìn)行DLC鍍膜，即使在無潤滑、低潤滑的條件下，也可防止鎂合金的粘著。是DLC膜今后應(yīng)用開發(fā)的方向。
4、結(jié)束語
總之，由于DLC膜及其改性的DLC膜具有許多非常優(yōu)異的性能，在工模具領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，目前已在發(fā)達(dá)國家，如日本、德國、美國、新加坡等國家得到較為廣泛的應(yīng)用。在我國雖然其應(yīng)用才剛剛開始，但由于中國已成為世界制造業(yè)重要基地，其工模具的使用量在不斷擴(kuò)大，對質(zhì)量的要求也在不斷提高。因此，DLC膜的應(yīng)用在我國必將得到更廣泛的應(yīng)用。當(dāng)然，為了推廣DLC膜的應(yīng)用，還必須解決以下問題：
①進(jìn)一步提高DLC膜的耐溫性能；
②進(jìn)一步降低其生產(chǎn)成本；
③根據(jù)需要，可有效控制DLC膜的性能；
④加大DLC膜的宣傳力度。
（作者：代明江 林松盛 候惠君 李洪武 來源：丹普表面技術(shù)）
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