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類金剛石鍍膜——金屬表面摩擦驚人的減少40%
發(fā)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(xué)家們）。近期，他們運用同樣的原理，發(fā)現(xiàn)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(chǎn)生的。而這項發(fā)現(xiàn)，將會對未來的發(fā)動機的效率和耐久性產(chǎn)生深遠的影響。
測試結(jié)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(jié)果已發(fā)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(gòu)成、在性質(zhì)上和鉆石類似，同時又具有石墨原子組成結(jié)構(gòu)的物質(zhì)。類金剛石薄膜（DLC）是一種非晶態(tài)薄膜，由于具有高硬度和高彈性模量，低摩擦因數(shù)，耐磨損以及良好的真空摩擦學(xué)特性，很適合于作為耐磨涂層，從而引起了摩擦學(xué)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(jié)構(gòu)和性能存在很大差別，摩擦學(xué)性能也不相同。
圖：DLC鍍膜齒輪
DLC主要性能
1、力學(xué)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(jié)合非平衡磁控濺射法制備的DLC膜硬度達21GPa。膜層內(nèi)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(nèi)應(yīng)力和結(jié)合強度。薄膜的內(nèi)應(yīng)力和結(jié)合強度是決定薄膜的穩(wěn)定性和使用壽命，影響薄膜性能的兩個重要因素，內(nèi)應(yīng)力高和結(jié)合強度低的DLC膜容易在應(yīng)用中產(chǎn)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(yīng)力和較高的結(jié)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(jié)合強度一般比較低。
2、摩擦性能
DLC膜不僅具有優(yōu)異的耐磨性，而且具有很低的摩擦系數(shù)，一般低于0.2，是一種優(yōu)異的表面抗磨損改性膜。DLC的摩擦系數(shù)隨制備工藝的不同和膜中成分的變化而變化，其摩擦系數(shù)最低可達0.005。摻雜金屬元素可能降低其摩擦系數(shù)，但加入H能提高潤滑作用，環(huán)境也對摩擦系數(shù)有一定的影響。
但總的來說，DLC膜與傳統(tǒng)的硬質(zhì)薄膜（如上述的TiN、TiC、TiAlN等）相比，在摩擦系數(shù)方面具有明顯優(yōu)勢，這些傳統(tǒng)硬質(zhì)薄膜的摩擦系數(shù)都在0.4以上。因此，DLC膜有可能在許多摩擦學(xué)領(lǐng)域替代這些傳統(tǒng)硬膜。
3、熱穩(wěn)定性
由于DLC屬亞穩(wěn)態(tài)的材料，熱穩(wěn)定性差是限制DLC膜應(yīng)用的一個重要因素，在300?C以上退火時即出現(xiàn)了sp3鍵向sp2鍵轉(zhuǎn)變，為此，人們進行了大量的工作試圖提高其熱穩(wěn)定性。
4、耐腐蝕性
純DLC膜具有優(yōu)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(xù)性所致。
5、表面狀態(tài)
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(jié)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(jié)性。
機械功能領(lǐng)域應(yīng)用
1、鉆頭、銑刀
DLC膜可以應(yīng)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(shù)、抗有色金屬粘結(jié)。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(jié)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(chǎn)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(shù)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(zhì)量。我們制備的DLC膜層也開始用于該領(lǐng)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(yīng)用
現(xiàn)在DLC也在各種刀片如剪刀、刮胡刀等上的應(yīng)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(guān)鍵零部件上的應(yīng)用
DLC膜在許多關(guān)鍵零部件也能發(fā)揮其優(yōu)良的性能，如在制成式斯特林制冷機的活塞上的應(yīng)用利用其低的摩擦系數(shù)，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(huán)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(shù)降低后，使機器運行過程中產(chǎn)生的噪音變小。
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