Carbonul asemănător diamantului ( în engleză Diamond-like carbon (DLC) , diamond-like coating (APP) ) este un material realizat din carbon amorf , cu legături de carbon predominant tetraedrice. Are unele dintre proprietățile unui diamant . Folosit sub formă de acoperiri dure pentru a proteja suprafețele altor materiale [1] .
Există șapte forme diferite de DLC [2] . Toate conțin o cantitate semnificativă de sp 3 - atomi de carbon hibridizați . Motivul pentru existența diferitelor forme este că chiar și un diamant poate fi găsit într-unul din cele două politipuri de cristal . Atomii diamantului obișnuit sunt organizați într-o rețea cubică , iar modificarea sa rară ( lonsdaleitul ) are o structură hexagonală . Ca rezultat al amestecării acestor două tipuri în moduri diferite la scară nanometrică , apare o structură amorfă asemănătoare unui diamant. Filmele subțiri din acest material sunt flexibile. Cel mai solid, durabil, posesorproprietăți anti-fricțiune , este o structură cunoscută sub numele de carbon amorf tetraedric (ta-C). De exemplu, un strat de ta-C de numai 2 microni grosime , datorită durității sale, crește rezistența la abraziune a oțelului inoxidabil obișnuit, iar durata de viață poate crește de la o săptămână la 85 de ani. Forma tetraedrică poate fi considerată carbon asemănător diamantului „pur”, deoarece constă numai din atomi legați cu sp 3 . Acoperirile de tip diamant produse industrial conțin impurități care apar atât ca urmare a deficiențelor metodelor de producție a filmului, cât și sunt introduse intenționat pentru a le conferi anumite proprietăți. Diferite forme de DLC pot fi aplicate practic oricărui material care este compatibil cu depunerea în vid.
Diamantul natural este aproape întotdeauna sub formă cristalină, cu o orientare sp 3 pur cubică a atomilor de carbon legați. Uneori există defecte în rețeaua cristalină sau includerea atomilor altor elemente, care dau culoare pietrei, dar dispunerea carbonului în rețea rămâne cubică cu o legătură sp 3 . Energia internă a politipurilor cubice este puțin mai mică decât cea a formelor hexagonale , iar rata de creștere a unui cristal din material topit în producția naturală și în masă de diamante sintetice este suficient de lentă încât structura rețelei să crească într-o energie mică (cubică), ceea ce este posibil pentru legăturile sp 3 ale atomilor de carbon. În schimb, acoperirile DLC sunt produse de obicei prin procese în care atomii de carbon sunt răciți rapid și stinși pe suprafețe relativ reci la energie mare. Astfel de procese pot fi, de exemplu, în plasmă , în depunerea filtrată cu arc catodic , în pulverizare și depunerea cu fascicul ionic .
În aceste cazuri, rețelele cubice și hexagonale pot fi amestecate aleatoriu, strat atomic cu strat atomic, deoarece nu există timp pentru ca una dintre geometriile de cristal să crească în detrimentul celeilalte înainte ca atomii să fie înghețați în loc în material. DLC-urile amorfe pot avea ca rezultat materiale care nu au ordine cristalină pe distanță lungă. Fără comandă cu rază lungă de acțiune, nu există avioane fragile de fisuri. Prin urmare, astfel de acoperiri sunt flexibile și acoperite conform formei de bază, dar în același timp la fel de puternice ca diamantul. De fapt, această proprietate a fost folosită pentru a studia uzura atom cu atom la scară nanometrică în DLC. [3]
Sunt cunoscute următoarele metode de obținere a carbonului asemănător diamantului: [4]
După cum sugerează și numele, valoarea DLC vine din capacitatea sa de a aduce unele dintre proprietățile diamantului la suprafața practic a oricărui material. Principalele calități de dorit sunt duritatea, rezistența la uzură și netezimea (coeficientul de frecare al unei pelicule APP împotriva oțelului lustruit variază de la 0,05 la 0,20 [5] ). Proprietățile acestei acoperiri depind puternic de metoda de depunere [6] [7] , parametrii de depunere (tensiunea electrică de deplasare a substratului [8] , grosimea acoperirii DLC [9] [10] , grosimea substratului etc.). În plus, tratamentul termic modifică și proprietățile acoperirii, cum ar fi duritatea, tenacitatea și rata de uzură. [unsprezece]
Tipurile de legături interatomice au un impact semnificativ asupra proprietăților materialelor filmelor subțiri de carbon amorf. Dacă este prezent tipul sp 2 , atunci filmul va fi mai moale, dacă este prezent tipul sp 3 , atunci filmul va fi mai rigid [12] . Prezența impurităților, în principal a hidrogenului, este de asemenea semnificativă. Unele metode de fabricație folosesc hidrogen sau metan ca catalizator și un procent semnificativ de hidrogen poate rămâne în material. Având în vedere că materialele plastice moi și polietilena sunt făcute din carbon, care este legat printr-o legătură sp3 pură asemănătoare unui diamant , dar include și o legătură chimică de hidrogen, nu este surprinzător că fracțiunile de hidrogen rămase în filmele DLC își degradează proprietățile în mult. în același mod.ca și resturile de legături de carbon sp 2 . Cea mai mare duritate este carbonul pur asemănător unui diamant, fără hidrogen, în care toate legăturile interatomice sunt de tip sp 3 .
Aceleași tensiuni interne care asigură duritatea materialelor asemănătoare diamantului tind să rupă stratul de acoperire de substratul protejat. Lupta împotriva acestui lucru se desfășoară în diferite moduri, în funcție de capacitățile metodei de aplicare utilizate. Cea mai simplă este utilizarea legăturilor chimice naturale cu materialul substratului, care se formează dacă este posibilă reacția de formare a carburilor puternice . Dacă materialul substratului nu le formează, acesta este acoperit cu un substrat subțire de metal care formează carbură, cum ar fi titanul sau fierul . Alte modalități de asigurare a aderenței sunt, de exemplu, depunerea de straturi intermediare, care au distanțe interatomice care variază de la cele caracteristice substratului la cele ale DLC.
Acoperirile asemănătoare diamantului sunt adesea folosite pentru a preveni uzura și pentru a reduce frecarea datorită proprietăților lor tribologice excelente. Sunt extrem de rezistente la uzura abraziva si adeziva, ceea ce le permite sa fie folosite in conditii de presiuni mari de contact, atat la rulare cat si la alunecare. Aplicațiile sunt adesea folosite pentru a crește durata de viață a lamelor de ras, a sculelor de prelucrare, în primul rând burghiilor și frezelor . Sunt aplicate în rulmenți , mecanisme cu came . Acoperirile de tip diamant măresc perioada de timp în care transmisia poate funcționa în condiții de lubrifiere insuficientă. În ciuda proprietăților tribologice remarcabile ale APP-urilor, acestea ar trebui utilizate cu prudență pe aliajele de fier. La temperaturi ridicate, substratul sau contracorpul poate dizolva carbonul în sine, ducând la pierderea funcționalității acoperirii. Acest fenomen împiedică utilizarea sculelor acoperite cu DLC pentru prelucrarea oțelului.
Cu un conținut scăzut de faza de grafit într-o acoperire asemănătoare diamantului sau cu un număr mare de legături de hidrogen, acesta poate fi un dielectric cu o valoare mare de rezistență. În alte cazuri, materialul poate avea o conductivitate care are o natură de tunel . În acest tip de conducție, electronii se mișcă prin tunel cuantic între petice de material conductiv înconjurat de un dielectric. Rezultatul este un proces care face din material ceva ca un semiconductor. Cercetările sunt în curs de desfășurare pentru a găsi o aplicare practică a acestui efect.
Utilizarea APP crește de obicei rezistența la uzură abrazivă a materialului. Acoperirea asemănătoare diamantului este adesea folosită pentru acoperirea sculelor (cu excepția celor destinate prelucrarii aliajelor pe bază de fier ), cum ar fi freze , burghie , matrițe și matrițe . Acoperirea crește duritatea și rezistența la uzură a muchiilor de tăiere, împiedică lipirea așchiilor de suprafața sculei și reduce frecarea.
APP este, de asemenea, utilizat în motoarele motocicletelor sport de ultimă generație, mașinilor de curse de Formula 1, mașinilor NASCAR și ca acoperire pe platourile de hard disk și capete pentru a proteja împotriva defectării capului.
Aproape toate aparatele de ras cu lame multiple utilizate pentru bărbierit umed au o margine acoperită cu carbon asemănător unui diamant pentru a reduce frecarea, prevenind iritarea pielii sensibile.
APP are o bună biocompatibilitate , ceea ce îl face un material atractiv pentru aplicații medicale. Astfel de acoperiri sunt folosite pentru a crește durata de viață a articulațiilor artificiale, pentru a reduce formarea de trombi în timpul stentului arterei coronare și pentru a fabrica o inimă artificială .
Datorită culorii sale negre intense, combinată cu rezistența la zgârieturi și efectele agresive ale transpirației umane, carbonul asemănător diamantului și-a găsit aplicație ca acoperire decorativă în industria de bijuterii și ceasornicarie.