DLC類金剛石涂層

    DLC類金剛石涂層

    隨著科學(xué)技術(shù)和材料制備合成技術(shù)的進步,新型碳基薄膜材料不斷杯發(fā)現(xiàn),較大地豐富了碳基薄膜材料學(xué)科。在過去的幾十年內(nèi),對DLC薄膜的研究工作主要集中在膜層的技術(shù)制備、結(jié)構(gòu)測試,各種性能研究以及應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展和拓寬方面,對DLC薄膜材料未來的發(fā)展方向,應(yīng)該從以下幾個方面進行深入研究。

    01

    基礎(chǔ)研究方面

    DLC薄膜材料的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究范圍廣泛,但如何通過理論計算、計算機輔助模擬、全新實驗手段來深入理解碳基薄膜沉積過程、力學(xué)性能以及摩擦學(xué)性能的本質(zhì)值得關(guān)注和思考。例如,碳基薄膜C-C骨架形成機理的科學(xué)描述,摩擦過程轉(zhuǎn)移膜和石墨化層形成機制及轉(zhuǎn)移膜自身特性揭示,薄膜內(nèi)應(yīng)力和硬度等力學(xué)性能的本質(zhì)影響因素,碳基薄膜表面與外界服役環(huán)境相互作用機制等。另外,如何準(zhǔn)確表征DLC薄膜材料中SP3/SP2雜化鍵比例,表面懸鍵和表面官能團的種類和分布,摩擦過程中SP3到SP2雜化鍵相變的原位測試與描述等,還需要發(fā)展新的表征理論和方法。從應(yīng)用需求和服役工況出發(fā),對薄膜材料微觀結(jié)構(gòu)和功能提出新的要求,通過理論計算可從原子、分子、納米尺度進行薄膜多尺度耦合設(shè)計等,同時這對于進一步定義、發(fā)現(xiàn)和理解DLC薄膜的基礎(chǔ)問題也具有積極的促進作用。

    02

    關(guān)鍵技術(shù)方面

    從根本上來看,DLC薄膜之所以未能在世界范圍內(nèi)獲得廣泛應(yīng)用,主要技術(shù)瓶頸體現(xiàn)在以下幾個方面。

    ① DLC薄膜在沉積過程中產(chǎn)生較高的內(nèi)應(yīng)力,使其與基體(特別是金屬材料)的結(jié)合力差,膜層容易起皮、脫落,限制了DLC薄膜的沉積厚度。為了克服這一問題,可利用多層膜和梯度膜作為過渡層,金屬或非金屬摻雜也是行之有效的手段。

    ② DLC薄膜的熱穩(wěn)定性差,當(dāng)溫度**200°C時即發(fā)生氫解離石墨化轉(zhuǎn)變,**450°C時,開始出現(xiàn)明顯的氧化現(xiàn)象及完全氫解離,DLC薄膜性能將明顯變差,從而限制了其使用范圍。目前,主要是通過各種金屬或非金屬摻雜技術(shù)來解決這一問題,達到改善DLC薄膜熱穩(wěn)定性的目的。但是從表現(xiàn)結(jié)果來看,其熱穩(wěn)定性仍未得到顯著改善,如何通過各種結(jié)構(gòu)和成分設(shè)計來有效改善碳基薄膜C-C骨架的穩(wěn)定性仍然是未來技術(shù)突破的重中之重。

    ③碳基薄膜材料存在韌性低、脆性強以及其摩擦學(xué)行為具強環(huán)境敏感性等問題,從目前來看,基于元素摻雜、多相復(fù)合、非晶-納米晶復(fù)合結(jié)構(gòu)構(gòu)筑、薄膜內(nèi)部特殊納米組織調(diào)控、微/納表界面織構(gòu)優(yōu)化等多尺度耦合設(shè)計來實現(xiàn)薄膜材料多界面/多結(jié)構(gòu)的跨尺度構(gòu)筑,可能是獲得強韌性和低環(huán)境敏感性碳基薄膜的突破口。

    隨著現(xiàn)代沉積技術(shù)和薄膜設(shè)計理念的發(fā)展,使未來研究人員有可能實現(xiàn)對DLC薄膜微細結(jié)構(gòu)的控制,同時通過與其他技術(shù)的復(fù)合來逐步改善高的內(nèi)應(yīng)力、差的熱穩(wěn)定性以及環(huán)境敏感導(dǎo)致的服役壽命不足等**問題。此外,仍亟須突破大面積均勻沉積、較端尺寸(較端大小、復(fù)雜形狀)工件鍍覆等技術(shù)瓶頸。

    03

    鍍膜裝備方面

    目前,**上已經(jīng)有數(shù)十家公司能夠提供工藝成熟穩(wěn)定的類金剛石沉積設(shè)備,并已將較**的技術(shù)、較好的服務(wù)模式搬到了中國,在中國開辦了DLC涂層加工中心或出售各種DLC涂層鍍膜系統(tǒng)。雖然國內(nèi)已有至少30家企業(yè)能夠生產(chǎn)真空鍍膜設(shè)備,但由于DLC涂層技術(shù)是集真空設(shè)備加工、真空獲得與控制、電源控制、薄膜材料、等離子體技術(shù)、自動化控制于一體的新興科學(xué)技術(shù),在研究、生產(chǎn)、應(yīng)用等方面對人員的配置有較高的要求,大部分鍍膜裝備生產(chǎn)廠家主要偏重于鍍膜機生產(chǎn),由于缺乏對使用環(huán)境及涂層技術(shù)的深入了解,也未加強與涂層使用企業(yè)的合作,缺乏相關(guān)工藝配套研究,開發(fā)技術(shù)與裝備尚達不到批量生產(chǎn)水平;而相關(guān)研究院所雖然開發(fā)了一些**鍍膜工藝以及各種鍍膜技術(shù),但是缺乏相關(guān)成熟配套鍍膜設(shè)備的一體化開發(fā)和制造能力,使國內(nèi)生產(chǎn)的類金剛石沉積設(shè)備在工藝成熟、穩(wěn)定性和可靠性等方面與**設(shè)備還有非常大的差距。因此,加大我國自主設(shè)計、優(yōu)化與研制設(shè)備的力度,開發(fā)能夠有效穩(wěn)定的沉積類金剛石的新技術(shù)、新設(shè)備、大幅度降低高質(zhì)量沉積薄膜設(shè)備的價格,將有利于提高我國在DLC薄膜領(lǐng)域的**競爭


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