類金剛石碳

類金剛石碳（Diamond-like carbon，DLC）(又稱：類鑽膜,或稱:類鑽碳）是存在有七種不同的形式^[1]，卻表現出一些金剛石特性的無定形碳。由於它的一些特性，它通常被用作其它材料的塗層材料。所有的七種形式都擁有大量sp³雜化的碳原子。它們屬於不同類型的原因是，即使是金剛石也被發現有兩種晶型：其中最常見的一種是立方晶體，而最不常見的一種(藍絲黛爾石)是六方晶體。通過在奈米尺度結構的不同方法混合這些晶型，類金剛石塗層可以同時擁有非晶、有彈性，且是純sp³雜化連接的"金剛石"。其中最硬、最強、最光滑的是被稱為四面體非晶碳（ta-C）的一種混合物。例如，僅僅2微米厚度的ta-C塗層可以增加常規 (例如304型) 不鏽鋼針對磨料磨損的抵抗力，從而增加其在這類使用中的壽命從1周到85年不等。這種ta-C可以被認為是"純"形式的類金剛石碳，因為它僅僅由sp³連接的碳原子組成。諸如氫，石墨sp²雜化碳，以及金屬一類的一些填料，已被用在其它六種類金剛石碳中，以減少生產費用或者增加其它的一些性能。^[2]^[3] 這些種類的類金剛石几乎可以用在任何具有兼容真空環境的材料中。在2006年，歐盟內的外包類金剛石塗層市場估計市值達約三千萬歐元。2011年11月，每日科學雜誌報告說史丹福大學的研究人員已經在超高壓的條件下製造出了一種超硬的非晶金剛石，它並沒有金剛石的晶體結構，卻擁有碳的輕質量。^[4]^[5]

天然金剛石和合成金剛石的區別[編輯]

天然生成的金剛石常常發現有幾乎純結晶形式的立方取向的sp³ 雜化的碳原子。有時候它們會有一些缺陷或者是雜質原子，這使它們有一定的顏色，但是晶格仍然是立方結構而且鍵合仍然是純粹的sp³雜化。立方晶型的內部能量比六方晶型要略低，而且就從熔融材料中生長速率而言，無論是自然形成還是合成金剛石都足夠的慢，使得晶格有時間以最低的能量（立方）生長，從而使sp³雜化的碳原子成為可能。相比之下，類金剛石碳是由具有高能量前驅碳（例如電漿體、陰極電弧沉積、濺射沉積以及離子束沉積）在相對冷的表面上快速冷卻或淬火而成。在這些情況下，立方晶格和六方晶格被一層層的隨機混合，因為在碳原子被「凍結」在材料表面之前並沒有足夠的結晶生長的時間。非晶類金剛石塗層可以導致沒有長程晶格有序。沒有長程有序就沒有脆性斷裂平面，因此塗層會比較有彈性、對基底材料的形狀有適應性，同時和金剛石一樣硬。事實上，這種性質已經被用來研究類金剛石碳在奈米尺度上的原子間磨損。^[6]

生產[編輯]

現在有數種方法來生產類金剛石碳，但都是基於, sp³雜化鍵比sp²雜化鍵小很多的事實。因此原子尺度上壓力、衝擊、催化或者是幾種方法的組合的應用可以迫使sp²雜化碳原子結合在一起形成sp³鍵合。這些作用必須足夠強使得這些原子能夠偏離sp²鍵合的特性，而不能像彈簧一樣變形回來。一般的技術，要有一種足夠的壓力，要麼能夠使sp³雜化碳原子團簇深入到塗層內，使得沒有足夠的空間讓sp²雜化擴張回來，要麼這些新的團簇就很快被下一輪新到來的碳所埋。可以把這個過程想像成為下冰雹一樣的一種更局部化、更快、更加奈米的熱壓結合條件來生產天然和合成的金剛石。由於它們獨立的發生在生長薄膜或塗層表面的許多地方，它們傾向於形成類似於鵝卵石街道一樣的表面，其中鵝卵石是指sp³雜化碳的結核或團簇。根據所使用的特定生產工藝，生產上會有很多碳沉積的周期，一些工藝例如連續的新碳元素到達比例和彈道運輸可以促使sp³鍵合形成。其結果就是，ta-C可能有」鵝卵石街道「的結構，或者說結核會融在一起，就像一塊海綿或是鵝卵石一樣，小到幾乎不能看見。圖示為一個常規的"中等"形貌的ta-C薄膜。

性質[編輯]

類金剛石塗層的鍵合[編輯]

sp²軌域二維石墨結構+sp³軌域三維鑽石結構，混合而成。

硬度[編輯]

維氏硬度：Hv1800~Hv8000，依sp²軌域與sp³軌域的比例不同而產生不同的硬度，sp³軌域鑽石含量愈多硬度也愈高。

摩擦學[編輯]

DLC對鋼材摩擦係數約在0.08～0.2之間，依sp²軌域與sp³軌域的比例不同而產生不同的摩擦係數，sp²軌域石墨含量愈多摩擦係數也愈低。

電學性能[編輯]

電阻值從數百KΩ到數十MΩ。

光學[編輯]

光亮的深黑色，良好的紅外線吸收性。

應用[編輯]

耐磨材料的環境效益[編輯]

參見[編輯]

參考[編輯]

^ Name Index of Carbon Coatings 網際網路檔案館的存檔，存檔日期2007-01-20.
^ Kržan, B.; et al. Tribological behavior of tungsten-doped DLC coating under oil lubrication. Tribology International. 2009, 42 (2): 229. doi:10.1016/j.triboint.2008.06.011.
^ Evtukh, A.A; et al. Silicon doped diamond-like carbon films as a coating forimprovement of electron field emission. Proceedings of the 14th International Vacuum Microelectronics Conference. 2001: 295. doi:10.1109/IVMC.2001.939770.
^ Louis Bergeron. Amorphous Diamond, a New Super-Hard Form of Carbon Created Under Ultrahigh Pressure. Science Daily. Oct 17, 2011 [2011-10-21]. （原始內容存檔於2019-07-11）. An amorphous diamond -- one that lacks the crystalline structure of diamond, but is every bit as hard -- has been created by a Stanford-led team of researchers. ... That uniform super-hardness, combined with the light weight that is characteristic of all forms of carbon -- including diamond -- could open up exciting areas of application, such as cutting tools and wear-resistant parts for all kinds of transportation.
^ Yu Lin, Li Zhang, Ho-kwang Mao, Paul Chow, Yuming Xiao, Maria Baldini, Jinfu Shu, and Wendy L. Mao. Amorphous diamond: A high-pressure superhard carbon allotrope. Physical Review Letters, 2011
^ Achieving ultralow nanoscale wear. [2012-09-09]. （原始內容存檔於2020-09-22）.

外部連結[編輯]

Diamond-like carbon coatings （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）: The A-Z of Materials
Non-crystalline diamond: Bibliography of early work on DLC
DLC at the nanoscale （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）: Recent applications of DLC at the nanoscale

[1] Name Index of Carbon Coatings 網際網路檔案館的存檔，存檔日期2007-01-20.

[2] Kržan, B.; et al. Tribological behavior of tungsten-doped DLC coating under oil lubrication. Tribology International. 2009, 42 (2): 229. doi:10.1016/j.triboint.2008.06.011.

[3] Evtukh, A.A; et al. Silicon doped diamond-like carbon films as a coating forimprovement of electron field emission. Proceedings of the 14th International Vacuum Microelectronics Conference. 2001: 295. doi:10.1109/IVMC.2001.939770.

[twsOctU-4] Louis Bergeron. Amorphous Diamond, a New Super-Hard Form of Carbon Created Under Ultrahigh Pressure. Science Daily. Oct 17, 2011 [2011-10-21]. （原始內容存檔於2019-07-11）. An amorphous diamond -- one that lacks the crystalline structure of diamond, but is every bit as hard -- has been created by a Stanford-led team of researchers. ... That uniform super-hardness, combined with the light weight that is characteristic of all forms of carbon -- including diamond -- could open up exciting areas of application, such as cutting tools and wear-resistant parts for all kinds of transportation.

[5] Yu Lin, Li Zhang, Ho-kwang Mao, Paul Chow, Yuming Xiao, Maria Baldini, Jinfu Shu, and Wendy L. Mao. Amorphous diamond: A high-pressure superhard carbon allotrope. Physical Review Letters, 2011

[6] Achieving ultralow nanoscale wear. [2012-09-09]. （原始內容存檔於2020-09-22）.

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