類金剛石鍍膜——金屬表面摩擦驚人的減少40%
發布時間：2016-09-02
來自美國能源部阿爾貢國家實驗室的研究人員（研究摩擦、磨損、潤滑以及材料計算機的科學家們）。近期，他們運用同樣的原理，發現了具有革命性的有自愈功能的類金剛石鍍膜，這種鍍膜是在高溫、高壓下運作的汽車引擎中試驗產生的。而這項發現，將會對未來的發動機的效率和耐久性產生深遠的影響。
測試結果表明，這種DLC摩擦膜減小了25%-40%的摩擦，并將磨損量減小到了一個不可測的值。而這項研究結果已發表在“自然”雜志上了。
類金剛石DLC(Diamond-likecarbon)介紹
DLC是一種由碳元素構成、在性質上和鉆石類似，同時又具有石墨原子組成結構的物質。類金剛石薄膜（DLC）是一種非晶態薄膜，由于具有高硬度和高彈性模量，低摩擦因數，耐磨損以及良好的真空摩擦學特性，很適合于作為耐磨涂層，從而引起了摩擦學界的重視。
目前制備DLC薄膜的方法很多，不同的制備方法所用的碳源以及到達基體表面的離子能量不同，沉積的DLC膜的結構和性能存在很大差別，摩擦學性能也不相同。
圖：DLC鍍膜齒輪
DLC主要性能
1、力學性能
a.硬度及彈性模量。不同的沉積方法制備的DLC膜硬度及彈性模量差異很大，用磁過濾陰極電弧法可以制備出硬度達到甚至超過金剛石的DLC膜，而用離子源結合非平衡磁控濺射法制備的DLC膜硬度達21GPa。膜層內的成分對膜層的硬度有一定的影響，Si、N的摻入可以提高DLC膜的硬度。DLC膜具有較高的彈性模量，雖低于金剛石（1100GPa），但明顯高于一般金屬和陶瓷的彈性模量。
b.內應力和結合強度。薄膜的內應力和結合強度是決定薄膜的穩定性和使用壽命，影響薄膜性能的兩個重要因素，內應力高和結合強度低的DLC膜容易在應用中產生裂紋、褶皺，甚至脫落，所以制備的DLC膜最好具有適中的壓應力和較高的結合強度。大部分研究表明，直接在基體上沉積的DLC膜的膜/基結合強度一般比較低。
2、摩擦性能
DLC膜不僅具有優異的耐磨性，而且具有很低的摩擦系數，一般低于0.2，是一種優異的表面抗磨損改性膜。DLC的摩擦系數隨制備工藝的不同和膜中成分的變化而變化，其摩擦系數最低可達0.005。摻雜金屬元素可能降低其摩擦系數，但加入H能提高潤滑作用，環境也對摩擦系數有一定的影響。
但總的來說，DLC膜與傳統的硬質薄膜（如上述的TiN、TiC、TiAlN等）相比，在摩擦系數方面具有明顯優勢，這些傳統硬質薄膜的摩擦系數都在0.4以上。因此，DLC膜有可能在許多摩擦學領域替代這些傳統硬膜。
3、熱穩定性
由于DLC屬亞穩態的材料，熱穩定性差是限制DLC膜應用的一個重要因素，在300?C以上退火時即出現了sp3鍵向sp2鍵轉變，為此，人們進行了大量的工作試圖提高其熱穩定性。
4、耐腐蝕性
純DLC膜具有優異的耐蝕性，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，這是由于摻雜的元素首先被侵蝕，從而破壞了膜的連續性所致。
5、表面狀態
DLC膜表面一般較光潔，對基材的表面光潔度沒有太大的影響，但隨著膜厚的增加，表面光潔度會下降。不同的沉積方法所得到的DLC膜表面光潔度也是不同的。DLC膜具有很好的抗粘結性，特別是對有色金屬（如銅、鋁、鋅等），對塑料、橡膠、陶瓷等也有抗粘結性。
機械功能領域應用
1、鉆頭、銑刀
DLC膜可以應用于鉆頭和銑刀上，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、抗有色金屬粘結。荷蘭的Hauzer公司制備的摻金屬DLC膜層，用于切削高強度鋁合金時，能減少表面所謂的切屑瘤（BUE）。結果是延長工具的壽命并使工件材料在切削后表面光滑。特別是在干切削和深孔加工方面，膜層性能非常好。
2、光盤模具及其輔助模具
光盤模具是生產CD、CDR、DVD的重要工具，為了減少它與母盤（鎳盤）的摩擦，希望模具表面硬且摩擦系數小，目前，國外大多采用DLC膜層，大大提高了模具的壽命和盤片的質量。我們制備的DLC膜層也開始用于該領域，并取得了成功。
3、芯軸
DLC膜的耐磨減摩及耐腐蝕性，可顯著提高齒輪、芯軸等運動部件的使用性能及壽命。
4、刀片上的應用
現在DLC也在各種刀片如剪刀、刮胡刀等上的應用。DLC膜減小了刀片與皮膚的摩擦，改善了刀片的性能，延長了使用壽命。
5、關鍵零部件上的應用
DLC膜在許多關鍵零部件也能發揮其優良的性能，如在制成式斯特林制冷機的活塞上的應用利用其低的摩擦系數，降低摩擦力，提高耐磨性，達到無油潤滑及使用壽命要求。
在縫紉機配件旋梭上鍍DLC膜替代原來的電鍍硬鉻處理，不但避免了污染環境的問題，而且，明顯提高工件表面硬度及耐磨性，使用壽命提高了10倍以上，同時，也因表面膜層摩擦系數降低后，使機器運行過程中產生的噪音變小。
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