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  真空镀膜知识
DLC膜

DLC
类金刚石(英文为Diamond-like Carbon),简称DLC,由于其具有和金刚石(宝石行业称钻石)非常相似的结构,因此具有和金刚石非常类似的性能。
众所周知,金刚石是地球上天然存在的物质中性能最奇特、拥有几个性能第一的材料,如硬度最高,达Hv10000,因此可以说它永不磨损;导热率最高,因此它可作为散热效率最高的散热片;透光性好,因此可作为珠宝和各类镜头使用;摩擦系数低,可用于摩擦磨损领域等等。但由于天然金刚石非常稀少,人工还不能合成大面积的金刚石,且成本很高。因此金刚石的应用受到限制。而类金刚石可以大面积合成,且成本很低,因此类金刚石有望在工业界获得广泛的应用。
类金刚石膜是含有金刚石结构(SP3)和石墨结构(SP2)的长程无序的非晶碳膜。因镀膜的能量条件与环境不同,反应气体的种类不同,会得到各种类型的类金刚石膜,如含氢(a-C:H的和不含氢(a-C)的类金刚石膜和四面体(ta-C)非晶金刚石膜。此外为缓減镀层内应力开发了掺金属类金刚石膜。在沉积不掺金属的含氢类金刚石膜的过程中,随沉积膜厚的增加膜的色调由蓝、绿、土黄、紫红顺序改变,是干涉色。隨着膜厚再增加渐向黑色转变。DLC是高应力镀层,很容易剥离和崩膜,采用过渡层是有效提高膜/基结合力的方法;由于使用了C源,镀室的污染严重,会导致增加抽气时间和影响结合力。DLC更多被用于工模具和其他用途的功能膜上。
DLC 涂层有许多种。
一、掺杂金属的DLCMe-DLC
开始是掺杂金属的DLC(Me-DLC)被用在发动机部件上。Me-DLC 的典型应用是涡轮增压柴油机燃油喷射器部件和轴承。Me-DLC 涂层是用金属或陶瓷靶反应溅射制成,硬度在1200-2000Hv 之间变化,干磨标准摩擦系数通常在0.1-0.2 之间。Me-DLC 涂层的抗冲击疲劳的能力特别地得到了认可,现在仍然广泛应用在多种零件上,例如齿轮、轴承、活塞环。因为不断提高的要求特别是涡轮增压柴油喷射器的发展,Me-DLC 涂层的耐磨损能力已不能满足要求。
深黑色装饰膜现有制备工艺一般都采用氬和甲烷或乙炔混合气,碳烷气是渐增式供气,生成含C量渐增的TiC梯度膜。我们从现有供气参数推算过,实际供气比例在镀膜前阶段CH4的分压较低,生成贫碳的TiCx(x<1),资料[7]指出TiC的C可低至0.3,隨着CH4分压增加,含C量渐增,在镀膜中后阶段CH4分压远大于0.08Pa,甚至高出三倍以上,此阶段生成的应当是富C的非晶Ti--C组织。那么深黑色装饰膜应该是在含C量梯度递增的TiC膜上再长上含Ti的富C非晶碳膜。
深黑色的TiC+C的顶层是含Ti的富C非晶结构,虽然没有深入验证,从其用于合成的原料有CH4或C2H2和合成产物Ti—C具有非晶结构特征出发,我们暂且不考虑Ti,近似地按氢化非晶碳膜来讨论。氢化非晶碳膜属于SP3较少、SP2和H较多的一种类金刚石膜,
离子源沉积
采用阳极层离子源通入碳烷气(甲烷或乙炔)直接发射碳离子束,在工件上沉积生成DLC膜。采用阳极层离子源与磁控溅射相结合,离子源发射碳离子束,磁控溅射靶溅射Ti离子和活性Ti原子,可以获得TiC+C或掺Ti的DLC。
二、无定形含氢DLC
很快地含氢无定型碳DLC(a-C:H)就被用来防止不断增加的喷射压力带来的燃油喷射器系统的磨损。用PACVD 技术生产的含氢无定型碳DLC(a-C:H)涂层硬度可达2500Hv ,标准摩擦系数范围是0.05-0.15,典型应用是在涡轮增压柴油燃油喷射器部件、活塞销和气门配气机构部件。与PACVD 技术相对应的是用碳靶磁控溅射生成的更耐磨的含氢无定型碳DLC(a-C:H)涂层,硬度可以更高(3500Hv)而摩擦也更低(特别是与油混合时),但缺点也同样明显,用石墨靶溅射的沉积速率明显低于用PACVD 方法,因此生产成本相对较高。涂层与零部件和润滑油紧密相关摩擦学涂层需要进行调节以满足具体零件的需要。要想达成一个最优的减少摩擦的方案,具体零件与涂层及润滑条件的调整组合是很重要的。为了发展适合各个零件及其相应的摩擦条件的最好涂层,技术方面的研究工作有多种变化。最近一个技术表现出了奇特的摩擦学特性,这是一个无氢DLC 涂层(ta-C),采用电弧技术制成,这种涂层有类似金刚石的结构,硬度可达到4000-7000Hv,有油润滑时摩擦系数范围约为0.02-0.1,缺点是粗糙度较高,涂层应力大且抗热能力有限(200 ºC),电弧会产生一定数量的“液滴”,因此零件需要进行后处理。采用电弧过滤或过滤的激光电弧可以显著减少液滴但沉积速率也会变得很低。
小园靶电弧沉积DLC
以石墨作电弧靶,在H2或真空下沉积可获得黑色的光滑的含氢或不含氢的类金刚石膜,硬度达Hv3000以上。石墨是多孔性材料,真空电弧的小弧斑易钻入微孔中而熄灭,需有相应的措施维持电弧正常工作;DLC膜应力大,需采取多层过渡层缓冲界面与膜之间的应力以提高结合力。
三、掺Si DLC涂层DLC (a-C:H-Si)
另一项先进技术是掺Si 的DLC涂层DLC (a-C:H-Si),在有润滑的条件下DLC (a-C:H-Si)的摩擦系数低于PACVD 涂层,通过调节涂层可达到最优水平,可以实现硬度和减少摩擦的完美结合,另一优点是DLC (a-C:H-Si)涂层具有比PACVD 涂层更高的耐热能力。
DLC涂层在工业领域得到了越来越广泛的技术应用,尤其是自九十年代中期以来,作为汽车零部件保护性涂层得到快速发展。在柴油机领域,由博世公司开发的共轨式燃油喷射系统成为了推动DLC涂层发展的动力。
DLC涂层具有独特的高硬度和低摩擦系数,并且具有极强地抗与金属材料粘结的性能。因此,这种涂层技术成为汽车行业应用的理想选择。实际上,DLC涂层是指一个涂层种类,其包含有许多不同的涂层组分和生产工艺。

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