类金刚石薄膜

类金刚石膜技术基础一、类金刚石薄膜发展史：金刚石、类金刚石薄膜技术，是指利用各种光学薄膜制作技术制作接近天然金刚石和人造单晶金刚石特性（如在较宽光谱内均具有很高的光透过率－－在2～15μm（微米）范围光的吸收率低到1％；具有很高的硬度、良好的导热性、耐腐蚀性以及化学稳定性高－－1000℃（摄氏度）以上仍保持其化学稳定性等）的人造多晶金刚石薄膜、类金刚石薄膜（又称为硬碳膜、离子碳膜、或透明碳膜）的一种技术。

光学应用金刚石、类金刚石薄膜主要采用低压化学汽相沉积（CVD）技术制备。

低压CVD 技术包括热丝CVD法、等离子体CVD法、离子束蒸镀法、光/激光CVD法附加活性氢激光CVD 法等。

目前，CVD法制作金刚石薄膜已取得丰硕成果，但作为红外光学薄膜应用还需进一步解决金刚石薄膜对红外光学材料的粘着性和光散射的问题。

CVD法制作的金刚石薄膜与硅基片的粘着性是不错的，但是与其他材料（如锗、硫化锌等）基片的粘着性就甚差，或是根本就粘着不到一起去。

对于光散射的问题，则是要求如何更好地控制金刚石薄膜表面形态和晶粒结构。

理想的CVD法制造的红外光学应用的金刚石薄膜或许是一种单晶结构的膜，但是，目前使用CVD法还不能制造单晶结构的金刚石薄膜。

此外，大面积薄膜的制作、膜的光洁度等技术课题以及金刚石薄膜的制作成本问题，都有待于继续研究解决。

1.1金刚石、类金刚石薄膜研究进程自1963年在一次偶然的机会出现了不寻常的硬度和化学性能好的化学汽相沉积（CVD）碳形式的薄膜后,国外有不少研究单位开始研究金刚石薄膜的沉积工艺.1971年,艾森伯格（Aisenberg）和沙博（Chabot）等人,利用离子束蒸镀法,以石墨作薄膜材料,通过氩气弧光放电使石墨分解电离产生碳离子。

碳离子经磁场聚焦成束,在比较高的真空条件下,在低压沉积室内的室温下的基片上沉积出了硬碳膜。

这种硬碳膜具有近似于金刚石的一些特性－如透明度高、电阻抗大、硬度高等。

类金刚石（DLC）多层薄膜残余应力调控及其机械性能研究类金刚石(DLC)薄膜由于具有高硬度和弹性模量、低摩擦系数、优异的耐磨损性和耐腐蚀性等优异性能,而成为具有广泛应用前景的保护膜及耐磨材料。

多年的研究发现DLC薄膜中存在很大的残余应力,降低了薄膜与钛合金基体的结合强度,导致DLC薄膜在使用过程中的早期失效,限制了它的工业应用。

多层薄膜是由不同材料相互交替沉积而成的组分或结构交替变化的薄膜材料,由于它具有大量的界面,通常会增加材料的韧性,阻碍裂纹的扩展,与相应的单层薄膜相比,多层薄膜的残余应力较低,且耐磨性能及耐蚀性能好,具有广泛的应用前景。

因此,基于DLC薄膜急需解决的问题和实际应用的需要,设计了软硬交替DLC多层薄膜体系,其中软层将起到剪切带的作用,以缓解膜层中的内应力和界面应力。

本文采用磁过滤阴极真空弧源(FCVA)沉积技术在Ti6A14V合金及Si(100)表面制备了一系列不同调制参数的软硬交替DLC多层薄膜和TiC/DLC多层薄膜,以减小或控制DLC薄膜中的残余应力、提高硬度和增强钛合金的摩擦学性能。

本文系统研究了调制周期和调制比对软硬交替DLC多层薄膜和TiC/DLC多层薄膜的形貌、残余应力、成分、结构、机械性能和摩擦学性能的影响。

同时采用有限元软件(Ansys)对软硬交替DLC多层薄膜的残余应力进行了模拟。

为使基体与膜层之间形成良好的过渡,进一步增强膜基结合力,本文还研究了Ti/TiC梯度过渡层对DLC多层薄膜性能的影响。

全文主要结果如下：(1)采用FCVA技术在钛合金表面成功的制备出了结构致密、低残余应力、高硬度和优异耐磨性能的软硬交替DLC多层薄膜和TiC/DLC 多层薄膜。

(2)使用FCVA技术制备的软硬交替DLC多层薄膜,在调制周期固定为140nm时,薄膜中sp3键的含量随调制比(硬DLC膜层与软DLC膜层厚度之比)的增大而增加；在调制比固定为1：1时,sp3键的含量随调制周期的减小而减小。

学科前沿知识讲座论文之袁州冬雪创作类金刚石薄膜的性能与应用摘要：类金刚石膜(Diamond-likeCarbon)简称DLC，是一类性质近似于金刚石如具有高硬度、高电阻率、耐腐蚀、杰出的光学性能等，同时其又具有自身独特磨擦学特性的非晶碳膜.作为功能薄膜和呵护薄膜，其广泛应用于机械、电子、光学、医学、航天等范畴中.类金刚石膜制备方法比较简单，易实现工业化，具有广泛的应用前景.关键词：超硬资料类金刚石薄膜制备气象沉积概况工程技术引言磨损是工程界资料功能失效的主要形式之一，由此造成的资源、动力的华侈和经济损失可用“宏大”来暗示.然而，磨损是发生于机械设备零部件概况的资料流失过程，虽然不成防止，但若采纳得力措施，可以提高机件的耐磨性.资料概况工程主要是操纵各种概况改性技术，赋予基体资料自己所不具有的特殊的力学、物理或化学性能，如高硬度、低磨擦系数、杰出的化学及高温稳定性、抱负的综合机械性能及优异的磨擦学性能，从而使零部件概况体系在技术指标、靠得住性、寿命和经济性等方面获得最佳效果.硬质薄膜涂层因能减少工件的磨擦和磨损，有效提高概况硬度、韧性、耐磨性和高温稳定性，大幅度提高涂层产品的使用寿命，而广泛应用于机械制造、汽车工业、纺织工业、地质钻探、模具工业、航空航天等范畴.一、超硬薄膜资料随着资料迷信和现代涂层技术的发展，应用超硬资料涂层技术改善零部件概况的机械性能和磨擦学性能是21世纪概况工程范畴重要的研究方向之一.超硬薄膜是指维氏硬度在40GPa以上的硬质薄膜.到今朝为止，主要有以下几种超硬薄膜:1 金刚石薄膜金刚石薄膜的硬度为50~100GPa(与晶体取向有关)，从20世纪80年月初开端，一直受到世界各国的广泛重视，并曾于20世纪80年月中叶至90年月末形成了一个全球范围的研究热潮.金刚石膜所具有的最高硬度、最高热导率、极低磨擦系数、很高的机械强度和杰出化学稳定性的优异性能组合使其成为最抱负的工具和工具涂层资料.金刚石薄膜在磨擦学范畴应用的突出问题，就是在载荷条件下薄膜与基体之间的粘附强度以及薄膜自己的粗糙度问题，今朝，己经有针对性地展开了大量的研究工作.随着研究工作的不竭深入，金刚石薄膜将会为整个人类社会带来宏大的经济效益.2 立方氮化硼(c-BN)薄膜立方氮化硼(c-BN)薄膜的硬度为50~80GPa，它具有与金刚石相近似的晶体布局，其物感性能也与金刚石十分相似.与金刚石相比，c-BN的显著优点是具有杰出的热稳定性和化学稳定性，适用于作为超硬刀具涂层，特别是用于加工铁基合金的刀具涂层.3 碳氮膜碳氮膜是新近开辟的超硬薄膜资料，实际预测它具有达到和超出金刚石的硬度.已有的研究标明CNx薄膜的硬度可高达72GPa，可与DLc 相比较.同时CNx薄膜具有十分独特的磨擦磨损特性.在空气中，CNx薄膜的磨擦系数为0.2-0.4，但在N2、C02和真空中的磨擦系数为0.01~0.1.在N2气氛中的磨擦系数最小(0.01)，在大气环境中向实验区域吹氮气，也可将其磨擦系数降至0.017.因此，CNx薄膜有望在磨擦磨损范畴获得实际应用.4 类金刚石薄膜类金刚石膜(DLC)是一大类在性质上和金刚石近似，具有sp2和sp3杂化的碳原子空间网络布局的非晶碳膜.与组分相关的硬度可从20GPa变更至80GPa.类金刚石碳膜作为新型的硬质薄膜资料具有一系列优异的性能，如高硬度、高耐磨性、高热导率、高电阻率、杰出的光学透明性、化学惰性等，可广泛用于机械、电子、光学、热学、声学、医学等范畴，具有杰出的应用前景.DLC的主要缺点是：(a)内应力很大，因此薄膜厚度受到限制，一般只能达到1um~2um以下；(b)热稳定性较差，含氢的a:C-H薄膜中的氢在400℃左右就会逐渐逸出，sp2键增加，sp3键降低，在大约500℃以上就会转变成石墨.5 纳米复合多层膜纳米多层膜是一种人为可控的一维周期布局，这种布局可以有效地调整薄膜中的位错和缺陷及其运动，从而获得高硬度、高模量等性能，近期有关多层膜的研究报导较多，其中以金属/氮化物(碳化物，硼化物等)多层膜和氮化物/氮化物多层膜的研究占多数.最近，纳米晶粒复合的TIN/SINx薄膜资料的硬度达到了创记录的105GPa，可以说完全达到了金刚石的硬度.以纳米厚度薄膜交替沉积获得的纳米复合多层膜的硬度与每层薄膜的厚度(调制周期)有关，有能够高于每种组分的硬度.纳米复合多层膜不但硬度很高，而且涂层的韧性和抗裂纹扩大才能得到了显著改善，磨擦系数也较小，因此是抱负的工模具涂层资料.它的出现向金刚石作为最硬资料的地位提出了严峻的挑战，同时在经济性上也有十分分明的优势，因此具有非常好的市场前景.但是，由于一些技术问题还没有得到处理，今朝暂时还未在工业上得到广泛应用.二、类金刚石薄膜简介类金刚石(Diamond-like Carbon，简称DLC)资料是碳的非晶亚稳态布局存在形式之一，是人工合成的含有sp3和sp2键碳混杂的非晶亚稳态布局.迄今为止，人们发现的由纯碳组成的晶体有3种：金刚石、石墨和最近被发现并引起广泛关注的具有笼状布局的布基球和布基碳管.布局分歧造成三者的性质表示出较大的差别.石墨中的碳原子通过sp2杂化形成3个共价σ键，并与其他碳原子毗连成六元环形的蜂窝平面层状布局.在层中碳原子的配位数为3，别的每个碳原子还有一个垂直于层平面的p轨道电子，它们互相平行，形成离域π电子而贯穿于全层中，层中每两个相邻碳原子间的键长0.142nm，层与层之间由分子力连系，间距0.34nm，远大于C-C键长，所以石墨有杰出的导电、导热和润滑特性；金刚石中每个碳原子停止sp3杂化形成4个σ键，构成正四面体，是典型的原子晶体，有硬度大、熔点高的特点，并具有优良的光学、声学、热学和电学特性.而含有sp3和sp2键碳混杂的非晶DLC，具有石墨和金刚石所共有的性能：硬度大、熔点高、杰出的导热、润滑特性，同时具有优良的光学、声学、热学和电学特性.紫外-可见光拉曼光谱(UVRS)测试标明DLC 薄膜确实具有石墨和金刚石混合布局.天然和人造金刚石晶体的Raman光谱峰位为1332cm-1的单峰，石墨晶体的Raman光谱峰位为1575cm-1，多晶石墨除1575cm-1峰外还有一个峰位于1355cm-1.1355cm-1峰的强度决议于样品中无机碳的含量及石墨晶粒的大小.而DLC薄膜不但则有一个在1560cm-1很强而且半高宽度很小的峰位，还有一个在1350cm-1~0.152nm，而石墨和金刚石的碳-碳原子的最近间隔分别为0.142和0.154nm.由于DLC薄膜制备方法(如PVD、CVD、PCVD 等)和采取碳原子的载体(如各种碳烷气、石墨等)分歧，所生成薄膜的碳原子键合方式(C-H，C-C)与碳原子之间的键合方式(有sp2和sp3)及各种键合方式的比例也分歧.因此DLC薄膜可分为非晶碳膜和含氢非晶碳膜.而非晶碳膜的成分、布局、性能也相差较大，但共同点是空间布局上长程无序而短程有序、由大量sp3和少量sp2碳原子键合的一种网状碳布局.研究标明，DLC薄膜的性质与持续的、无规则的sp3骨架的摆列及sp3/sp2的比例等都有关，DLC膜的物理、化学、力学和电子学等性能由其布局决议.三、类金刚石薄膜的制备DLC薄膜的制备方法分为物理物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)两大类.在此基础上，今朝己经发展出基于物理物理气相沉积和化学气相沉积以及二者连系的多种DLC薄膜制备方法.PVD方法主要有:离子束辅助沉积法，溅射沉积法，离子束沉积法，真空阴极电弧沉积法等.CVD方法主要有:直流辉光放电等离子体化学气相沉积法、射频辉光放电等离子体化学气相沉积法、电子回旋共振化学气相沉积法、脉冲激光沉积法等.与其他方法相比，磁过滤阴极真空弧沉积方法具有阴极资料离化率高、沉积离子能量可大范围调节、沉积温度低及沉积速率高等优点，被证明是制备高硬度涂层的非常优秀的方法之一，在近十年来得到广泛研究.先进的镀膜技术为沉积超硬薄膜提供了技术包管，完善的镀膜设备功能是包管超硬薄膜资料质量的基础.超硬薄膜资料是资料迷信与工程中蓬勃发展的范畴，只有在实际中得到应用才干增强它的生命力.四、类金刚石膜的应用类金刚石薄膜具有较高的硬度，化学惰性，低磨擦系数，优异的耐磨性，表面电阻高，在可见光区的透射率高.类金刚石膜作为呵护膜已经运用到许多范畴：光学窗口、磁盘和微机电系统（MEMS）等，详细的应用如下：1机械范畴的应用由于其具有高的硬度、低磨擦系数（尤其是在超高真空条件下）以及杰出的导热性，可使机械零件在没有冷却和润滑的情况下运转，而不至于导致过高的温度，因此作为耐磨涂层在磨擦学范畴具有宏大的应用前景.类金刚石膜作为耐磨硬质膜在太空中的应用研究也已经展开.由于其较低的磨擦系数，可较好地使用在高温，高真空等不适于液体润滑的情况以及有清洁要求的环境中.类金刚石作为轴承、齿轮、活塞等易损机件的抗磨损镀层尤其是作为刃具、量具概况的耐磨涂层是十分合适的.类金刚石薄膜用作刀具涂层，能提高刀具寿命和刀具边沿的硬度，减少刃磨时间，节俭成本.类金刚石薄膜用作量具概况涂层，不至于使其改变尺寸和划伤概况，减少标定时间.它还具有杰出的化学稳定性，防止酸碱及有机溶液侵蚀，适用于化工机械部和多种装饰件的镀层.2光学范畴的应用①红外窗口的抗磨损呵护层和反射层：类金刚石膜在整个红外波段范围具有杰出的透明特性.由于薄膜硬度高，耐磨性好，使其可以作为支撑红外窗口或作为ZnS、ZnSe等红外窗口的呵护涂层.朱昌等人发现对NaCl晶体镀类金刚石薄膜做呵护层，既不影响10.6um激光输出功率，又可以防止NaCl潮解，能延长红外窗口的使用寿命；②发光资料：类金刚石膜具有杰出的光学透过性以及室温生长的特点，因此类金刚石膜可以作为由塑料和聚碳酸脂等低熔点资料组成的光学透镜概况的抗磨损呵护层.类金刚石膜光学带隙范围宽，室温下光致发光和电致发光率都很高，能在整个可见光范围发光，这使得类金刚石膜成为性能极佳的发光资料之一；③存储资料：V.Yn Armeyer等人实验发现在硅玻璃基片上沉积厚度为100nm的类金钢石薄膜的光学存储信号密度可高达108bits/㎝2数量级，而且具有信噪比高，硬度高，化学稳定性强以及无需再加呵护层等优点，因此有希望成为一次性写入记录介质；④太阳能光-热转换层：在铝基片概况沉积分歧厚度的单层类金刚石膜、硅及锗涂层后，通过比较各自的性能发现单层类金刚石膜的光热转换效率最高.3医学范畴的应用作为一种种植资料，类金刚石膜具有广泛的应用前景.如：在聚乙烯的人工股骨关节头上镀一层类金刚石膜，其抗磨损性能可以与镀陶瓷和金属制品相比；镀有Ti/DLC多层膜的钛制人工心脏瓣膜，由于其具有疏水性和光滑概况，也取得了较好的效果；在用于骨科内固定机械的Ti-Ni形状记忆合金，镀一层类金刚石膜，使其具有杰出的抗氧化性以及杰出的生物学磨擦特性.在人造牙根上镀制一层类金刚石膜可以改善其生物相容性.4电子范畴的应用~3.8之间的DLC膜和介电常数小于2.3的FDLC膜.对于BEOL互联布局，低K值的DLC膜是很好的选择.采取碳膜和类金刚石膜交替出现的多层布局可构造具有共振隧道效应的多量子阱布局，具有独特的电特性，在微电子范畴有很大的发展前途.结论类金刚石膜（DLC).由于该膜在力学、热学、电学、化学、光学等方面具有优异的性能，且制备简单、成本低廉，较之于金刚石薄膜具有较高的性能价格比，且在相当广泛的范畴里可以代替金刚石薄膜，在机械、电子、化学、医学、军事、航空航天等范畴体现了其广阔的应用前景.参考文献[1] 吴大维. 硬质薄膜资料的最新发展及应用.真空. 2003[2] 吕反修. 超硬资料薄膜涂层研究停顿及应用. 热处理. 2004[3] 陈灵，刘正义，邱万奇等. 类金刚石膜的制备及其影响因素. 中国概况工程. 2002 [4] 程宇航等. 类金刚石膜布局的红外分析.硅酸盐学报，1998(4)，26[5]李振军，徐洮，李红轩[6] 刘成龙，杨大智等.医用不锈钢概况沉积类金刚石薄膜的电化学腐蚀性能研究. 硅酸盐学报. 2005(5)[7]杨玉卫，刘慧舟等.类金刚石膜的性能、制备及应用.[9] 黄立业，徐可为，吕坚. 类金刚石薄膜的概况纳米划擦性能评价. 无机资料学报.2001(5)[10]罗崇泰. 类金刚石薄膜的获得和应用. 真空与低温. 1987(1)[11]王淑占，李合琴，巫邵波，赵之明，宋泽润. 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类金刚石薄膜通常又被人们称为DLC薄膜，是英文词汇Diamond Like Carbon的简称，它是一类性质近似于金刚石，具有高硬度.高电阻率.良好光学性能等，同时又具有自身独特摩擦学特性的非晶碳薄膜。

碳元素因碳原子和碳原子之间的不同结合方式，从而使其最终产生不同的物质：金刚石（diamond）—碳碳以sp3键的形式结合；石墨（graphite）—碳碳以sp2键的形式结合；而如同绪论里所述类金刚石（DLC）—碳碳则是以sp3和sp2键的形式结合，生成的无定形碳的一种亚稳定形态，它没有严格的定义，可以包括很宽性质范围的非晶碳，因此兼具了金刚石和石墨的优良特性；所以由类金刚石而来的DLC膜同样是一种亚稳态长程无序的非晶材料，碳原子间的键合方式是共价键，主要包含sp2和sp3两种杂化键，而在含氢的DLC膜中还存在一定数量的C-H键。

类金刚石薄膜（DLC）是1种非晶薄膜，可分为无氢类金刚石碳膜(a-C)和氢化类金刚石碳膜(a-C：H)(图2)两类。

无氢类金刚石碳膜有a-C膜(主要由sp3和sp2键碳原子相互混杂的三维网络构成)，以及四面体非晶碳(tetrahedral carbon，简称ta-C)(主要由超过80％的sp3键碳原子为骨架构成)；氢化类金刚石碳膜(a-C：H)又可分为类聚合物非晶态碳(polymer—like carbon，简称PLC)、类金刚石碳、类石墨碳3种，其三维网络结构中同时还结合一定数量的氢.类金刚石碳膜（diamond-like carbon films，简称DLC膜），是含有类似金刚石结构的非晶碳膜，也是我们在这里真正需要介绍的一种。

DLC膜的基本成分是碳，由于其碳的来源和制备方法的差异，DLC膜可分为含氢和不含氢两大类。

DLC膜是一种亚稳态长程无序的非晶材料，碳原子间的键合方式是共价键，主要包含sp2和sp3两种杂化键，在含氢DLC膜中还存在一定数量的C-H键。

我们从1996年起开始磁过滤真空弧及沉积DLC膜研究，正在完善工业化技术。

类金刚石薄膜制备及应用综述类金刚石薄膜是一种具有高硬度、高热导率、化学稳定性良好等优良性能的材料，在多个领域有着广泛的应用。

在本综述中，我将就类金刚石薄膜的制备方法、特性及应用进行详细的介绍，以期为相关领域的研究人员提供指导和借鉴。

一、类金刚石薄膜的制备方法1. 化学气相沉积法化学气相沉积法是一种常用的制备类金刚石薄膜的方法，其核心原理是利用化学反应在基板表面上沉积出单质碳或烷烃单体，再通过合适的条件使其聚合形成类金刚石薄膜。

其优点是工艺成熟、生产效率高，所需设备成本较高，对操作者的技术要求也较高。

2. 微波等离子体化学气相沉积法微波等离子体化学气相沉积法则是在化学气相沉积法的基础上引入了等离子体，利用微波等离子体来活化反应气体，提高沉积速率和质量，从而得到较高质量的类金刚石薄膜。

3. 溅射法溅射法是利用高能粒子轰击类金刚石靶材，使其表面的碳原子脱离靶材并在基底表面重新结晶形成薄膜。

该方法制备的类金刚石薄膜质量较好，但成本较高。

二、类金刚石薄膜的特性1. 高硬度类金刚石薄膜具有与天然金刚石相近的硬度，达到10GPa以上。

这使得类金刚石薄膜在一些需要高耐磨性能的领域有着广泛的应用，如刀具表面涂层等。

2. 高热导率类金刚石薄膜具有非常高的热导率，可达到约2000W/mK，因此被广泛用于热管理领域，如散热片、导热膏等。

3. 化学稳定性良好类金刚石薄膜在化学腐蚀等方面具有较好的稳定性，这使其在一些特殊的化学环境下得到应用。

4. 其它特性除了上述特性之外，类金刚石薄膜还具有较好的光学性能、生物相容性等特性，这为其在生物医疗、光学涂层等领域的应用提供了可能。

三、类金刚石薄膜的应用1. 刀具涂层由于其高硬度与耐磨性能，类金刚石薄膜被广泛应用于刀具涂层，能够大大提高刀具的使用寿命与切削性能。

2. 热管理材料类金刚石薄膜的高热导率使其成为理想的热管理材料，广泛应用于散热片、导热膏等领域。

3. 光学涂层类金刚石薄膜的优良光学性能使其在激光光学、液晶面板等领域有着广泛的应用。

DLC膜类金刚石膜(Diamond-Like-Carbon，DLC)，是一种非晶碳膜，它具有类似天然金刚石的许多性质，如高硬度、低摩擦系数、高电阻率、良好的光学性能、高化学稳定性等[1,2]。

因此，DLC膜广泛应用于机械、磁记录技术、光电、激光等领域，从20世纪80年代以来一直是薄膜技术领域研究的热点之一。

由于制备方法和采用的碳原子载气相沉积(PVD)制备的。

体不同，生成的DLC 膜中原子的键合方式(有C-H、C- C)及碳原子之间的键合方式(有sp2、sp3等)有所不同，并且各种键合方式的比例不同。

因此DLC膜是范围很大的一类非晶碳膜，为sp2、sp3键共存(石墨为sp2键、金刚石为sp3键)。

根据膜中含氢与否可分为无氢和含氢DLC，即ta-C和ta-C:H。

含氢的类金刚石膜是通过化学气相沉积(CVD)制备的，而不含氢的类金刚石膜是通过物理不同工艺制备的DLC的成分、结构和性能相差较大，一般把硬度超过金刚石硬度20%的绝缘无定型非晶碳膜称为类金刚石膜。

图1是类金刚石的C-H相图[3]，可以看出，只有相图的上半部分才能形成DLC，图中ta-C和ta-C:H的区域即DLC的形成区域，它们均是含sp3键较多的区域。

典型的ta-C:H膜含sp3部分要少于50%，而ta-C膜(即四面体碳ta-C)包含85%甚至更高含量的sp3键。

图1 类金刚石C-H图在直流放电等离子体中，Whitmell和Williamson首次用碳氢气体制备了DLC 膜。

此后，DLC膜已被多种方法制备，它们的主要共同特征都是在粒子轰击的条件下成膜的，荷能离子对膜生长表面的轰击对其sp3键结构的形成起着关键的作用，故又称之为离子碳膜，并记为i-C。

到目前为止，类金刚石膜的制备方法大致可以分为两大类：物理气相沉积法和等离子体辅助化学气相沉积法(PECVD)。

前者包括蒸发镀膜、磁控溅射、离子束镀膜、脉冲激光沉积、激光-离子束沉积、磁过滤真空弧沉积方法等。

类金刚石薄膜球盘法测试类金刚石薄膜的摩擦磨损性能1范围本文件为类金刚石（DLC）薄膜的摩擦系数和比磨损率的测定规定了流程并提供了指导。

该方法规定材料在干燥条件下，采用球对盘结构配副进行测试。

本文件不适用于DLC薄膜涂层的部件在润滑环境下的测试。

2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。

其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。

GB/T1182，产品几何技术规范（GPS）—几何公差-形状、方向、位置和跳动公差（GB/T1182-2018，ISO1101，MOD）GB/T6062，产品几何技术规范（GPS）—表面结构：轮廓法—接触（触针）式仪器的标称特性（GB/T 6062-2009，ISO3274，IDT）GB/T308.1，滚动轴承—球—第1部分：钢球（GB/T308.1-2013，ISO ISO3290-1，NEQ）GB/T308.2，滚动轴承—滚珠—第2部分：陶瓷滚珠（GB/T308.2-2010，ISO3290-2，IDT）ISO3611，产品几何技术规范（GPS）—尺寸测量设备：外部测量用千分尺-设计和计量特性GB/T10610，产品几何技术规范（GPS）—表面结构：轮廓法表面结构—术语，定义及参数（GB/T 10610-2009，ISO4287，IDT）ISO13385-1，产品几何技术规范（GPS）—尺寸测量设备—第1部分：卡尺；设计和计量特性ISO80000-1:2009，量和单位—第1部分：总则3术语和定义下列术语和定义适用于本文件。

磨损Wear固体材料由于与一种或多种材料接触发生相对运动，其表面质量逐渐减少的过程。

磨损测试Wear Test滑动接触中材料摩擦磨损性能的评价方法。

球盘试验法Ball-on-disc Method在一定载荷下，将球形试样接触到旋转的圆盘试样上，从而产生滑动接触的磨损试验。

oDLC类金刚石镀膜技术知识介绍DLC（类金刚石薄膜）定义：类金刚石薄膜是近年兴起的一种以sp3和 sp2键的形式结合生成的亚稳态材料，兼具了金刚石和石墨的优良特性，而具有高硬度.高电阻率.良好光学性能以及优秀的摩擦学特性。

类金刚石薄膜通常又被人们称为DLC薄膜，是英文词汇Diamond Like Carbon的简称，它是一类性质近似于金刚石，具有高硬度.高电阻率.良好光学性能等，同时又具有自身独特摩擦学特性的非晶碳薄膜。

DLC薄膜性能机械性能：高硬度和高弹性模量、优异的耐磨性、低摩擦系数电学性能：表面电阻高化学惰性大光学性能：DLC膜在可见光区通常是吸收的，在红外去具有很高的透过率稳定性：亚稳态的材料、热稳定性很差，400摄氏度oDLC镀膜技术解析：oDLC镀膜技术，是指通过纳米镀膜技术将DLC(类金刚石薄膜)均匀地沉积于钢化玻璃或者物质表面，形成一层独特的保护膜。

借助类金刚石薄膜自身的高硬度优势提高钢化玻璃的表面硬度，改善其防刮抗压性能。

、oDLC镀膜技术的应用由于DLC类金刚石有着和金刚石几乎一样的性质，因此，它的产品被广泛应用到机械、电子、光学和医学等各个领域。

同时类金刚石膜有着比金刚石膜更高的新能价格比，所以相当广泛的领域内可以代替金刚石膜。

1、机械领域的应用①用于防止金属化学腐蚀和划伤方面②磁介质保护膜2、电子领域的应用①UISI芯片的BEOL互联结构的低K值的材料②碳膜和DLC薄膜交替出现的多层结构构造共振隧道效应的多量子阱结构3、光学领域的应用①塑料和聚碳酸酯等低熔点材料组成的光学透镜表面抗磨损保护层②DLC膜为性能极佳的发光材料之一：光学隙带范围宽，室温下光致发光和电致发光率都很高。

4、医学领域的应用①在人工心脏瓣膜的不锈钢或钛合金表面沉积DLC膜能同时满足机械性能、耐腐蚀性能和生物相溶性要求②人工关节承受的抗磨性简而言之，类金刚石膜由于其良好的性能和广泛的应用，正受到越来越多的关注，近段时间由信利光电推出的金刚盾钢化膜正式采用了oDLC镀膜技术。

类金刚石薄膜制备及应用综述类金刚石薄膜是一种由金刚石晶体颗粒组成的薄膜，具有很高的硬度、优异的化学稳定性和良好的导热性能，因而在许多领域具有广泛的应用前景。

本文将对类金刚石薄膜的制备方法和应用进行综述。

制备方法方面，目前主要有化学气相沉积（CVD）法、物理气相沉积（PVD）法和磁控溅射（MS）法等。

其中，CVD法是最常用的制备方法之一。

它通过在合适的基底上，利用热解反应使前驱物（如丙烯酸甲酯）分解产生碳源，并在高温下使碳源与金属催化剂（如镍或铁）相互作用，最终沉积出类金刚石薄膜。

CVD法具有制备工艺简单、成本低廉等优点。

另外，PVD法和MS法也能制备出类金刚石薄膜，但相对于CVD法，它们的制备过程更加复杂，成本也更高。

类金刚石薄膜的应用领域广泛。

首先，它在电子学领域中有着重要的应用。

由于类金刚石薄膜的高导热性和优异的机械性能，可以用于制作高功率晶体管和高频振荡器等器件，提高其散热效能和稳定性。

其次，类金刚石薄膜还可以应用于光学领域。

由于其低散射和高透明性，可以用于制作光学镜片和涂层，提高光学设备的性能。

此外，类金刚石薄膜还可用于制作生物传感器和医疗器械等领域，发挥其优异的化学稳定性和生物相容性。

尽管类金刚石薄膜具有广泛的应用前景，但目前仍面临一些挑战。

首先，类金刚石薄膜的制备方法需要进一步优化，以提高其制备效率和质量。

其次，目前的制备方法成本较高，需要进一步降低制备成本，以推动其产业化进程。

另外，类金刚石薄膜的表面粗糙度和结晶质量也需要进一步改善，以满足不同领域的需求。

综上所述，类金刚石薄膜作为一种具有优异性能的材料，在电子学、光学和生物医学等领域具有广泛的应用前景。

随着制备技术的不断发展和改进，相信类金刚石薄膜将在更多领域发挥其独特的优势。

金刚石薄膜分类
金刚石薄膜是一种重要的功能材料，在许多领域有广泛的应用，如信息技术、生命科学、能源储存等。

根据制备方法、结构特征、性能表现等方面，可以将金刚石薄膜分为不同的类别。

其中，常见的几种金刚石薄膜分类如下：
1. 晶体金刚石薄膜：晶体金刚石薄膜是用气相沉积等方法在基底上生长的金刚石晶体。

这种薄膜具有优异的热导率、硬度、化学稳定性和机械性能，是一种理想的高温、高压和高频电子器件材料。

2. 纳米金刚石薄膜：纳米金刚石薄膜是由纳米尺度的金刚石颗粒组成的薄膜。

这种薄膜具有高比表面积、优异的化学稳定性、生物相容性和光学性能，是一种重要的生物传感器、光学波导和催化剂材料。

3. 多层金刚石薄膜：多层金刚石薄膜是由多个金刚石薄膜层组成的复合材料。

这种薄膜具有优异的耐磨、耐腐蚀和抗刮擦性能，是一种理想的涂层材料，广泛应用于机器制造、汽车工业和航空航天领域。

4. 氢化金刚石薄膜：氢化金刚石薄膜是在金刚石薄膜表面加氢处理后形成的。

这种薄膜具有高的光学透过率、低的摩擦系数和压电效应，是一种理想的光学透镜、摩擦材料和传感器材料。

5. 氮化金刚石薄膜：氮化金刚石薄膜是在金刚石薄膜表面氮化处理后形成的。

这种薄膜具有优异的导电性、光学性能和生物相容
性，是一种重要的半导体材料、生物传感器和光电器件材料。

以上就是金刚石薄膜的一些常见分类，不同类别的金刚石薄膜在不同领域具有广泛的应用前景和发展潜力。

类金刚石薄膜的载流摩擦学行为及其摩擦磨损机理的研究类金刚石薄膜的载流摩擦学行为及其摩擦磨损机理的研究摩擦学（tribology）是一门研究接触过程中摩擦、磨损、润滑等问题的学科。

类金刚石薄膜作为一种具有特殊性能的材料，其在载流环境下的摩擦学行为及其摩擦磨损机理一直备受关注。

类金刚石薄膜具有优异的硬度、低摩擦系数和高耐磨性等特点，广泛应用于各个领域，包括硬盘头部、摩擦件和切削工具等。

对于了解类金刚石薄膜在载流环境下的摩擦学行为以及其摩擦磨损机理，对于进一步提高其应用性能具有重要意义。

首先，我们来研究类金刚石薄膜在载流环境中的摩擦学行为。

载流环境可以改变材料的摩擦性能，因此需要对载流速度、温度和润滑剂等因素进行控制和研究。

通过摩擦学实验，可以获取摩擦系数随载流速度和温度的变化规律，并分析其内在机理。

实验结果表明，类金刚石薄膜在适当的载流速度和温度下，具有较低的摩擦系数和良好的润滑性能。

这与其表面形貌、化学成分以及微观结构有着密切关系。

其次，我们将研究类金刚石薄膜的摩擦磨损机理。

类金刚石薄膜的使用寿命和摩擦磨损机制直接相关。

通过对薄膜表面形貌、摩擦副界面的形成和磨损机制等进行研究，可以了解类金刚石薄膜的摩擦磨损过程。

实验结果表明，类金刚石薄膜在载流环境中的摩擦磨损主要包括磨粒磨损、表面氧化和界面剥离等。

这些机制的发生与载流速度、温度和载荷等因素有关。

最后，我们将探讨如何优化类金刚石薄膜的摩擦学性能。

基于对类金刚石薄膜摩擦学行为及其摩擦磨损机理的研究，可以采取相应的措施来提高其使用寿命和性能。

例如，通过表面处理，可以改善类金刚石薄膜的润滑性能；通过合理选择载流速度和温度，可以减小摩擦系数和磨损速率；通过添加适当的添加剂，可以增加薄膜的抗氧化性能。

这些措施可以进一步拓展类金刚石薄膜的应用范围和提高其实际效果。

综上所述，类金刚石薄膜的载流摩擦学行为及其摩擦磨损机理的研究对于了解该材料的摩擦学特性和提高其应用性能具有重要意义。

对类金刚石薄膜的研究主要集中在其摩擦学特性，但对其摩擦学机理的研究还不够充分，还没有提出一个大家普遍接受的摩擦学机理，到目前对类金刚石薄膜的减摩抗磨机制主要有以下三种观点：由两个相同或不相同的原子轨道沿轨道对称轴方向相互重叠而形成的共价键，叫做σ键。

σ键是原子轨道沿轴方向重叠而形成的，具有较大的重叠程度，因此σ键比较稳定。

σ键是能围绕对称轴旋转，而不影响键的强度以及键跟键之间的角度（键角）。

根据分子轨道理论，两个原子轨道充分接近后，能通过原子轨道的线性组合，形成两个分子轨道。

其中，能量低于原来原子轨道的分子轨道叫成键轨道，能量高于原来原子轨道的分子轨道叫反键轨道。

以核间轴为对称轴的成键轨道叫σ轨道，相应的键叫σ键。

以核间轴为对称轴的反键轨道叫σ*轨道，相应的键叫σ*键。

分子在基态时，构成化学键的电子通常处在成键轨道中，而让反键轨道空着。

σ键是共价键的一种。

它具有如下特点：1. σ键有方向性，两个成键原子必须沿着对称轴方向接近，才能达到最大重叠。

2. 成键电子云沿键轴对称分布，两端的原子可以沿轴自由旋转而不改变电子云密度的分布。

3. σ键是头碰头的重叠，与其它键相比，重叠程度大，键能大，因此，化学性质稳定。

共价单键是σ键，共价双键有一个σ键，π键，共价三键由一个σ键，两个π键组成。

a.化学吸附钝化悬键理论Erdemir 等人认为，PECVD 制备的含氢DLC 膜在惰性气氛中表现出非常低的摩擦系数，主要原因是：一方面，在DLC 膜的沉积过程中，持续的氢离子轰击,使薄膜中氢的含量增高，大多数氢被认为以共价方式与碳结合，从而消除自由的σ键；同时薄膜中还有以原子和分子形式存在的氢，它们可以起到氢储备库的作用，持续不断地消除那些由于机械磨损和热解吸作用产生的σ键；另一方面，等离子体中氢的轰击作用把石墨相刻蚀掉，阻止了碳碳双键的形成,从而使由碳的双键而引起的π－π*作用减小到最小。

最后，两个氢可以和一个碳成键，它的形成可以使表面最大限度的钝化，从而降低摩擦系数。

类金刚石薄膜材料金刚石薄膜材料是一种具有许多优良性能的材料。

它由人工合成的金刚石晶体组成，具有高硬度、高热稳定性、高化学稳定性和优异的导热性能。

本文将介绍金刚石薄膜材料的制备方法、性能以及应用领域。

金刚石薄膜的制备方法有多种，最常用的是化学气相沉积法（Chemical Vapor Deposition，CVD）。

CVD方法包括热CVD和等离子体增强化学气相沉积（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD）。

热CVD法是通过在高温和高压下，使金刚石前体气体在衬底表面上沉积，形成金刚石薄膜。

PECVD方法则是通过在等离子体的作用下，使金刚石前体气体发生化学反应，从而在衬底表面沉积金刚石薄膜。

金刚石薄膜材料具有许多优异的性能。

首先，金刚石薄膜具有极高的硬度，它是目前已知最硬的天然材料。

这使得金刚石薄膜可以用于制作高硬度的涂层，具有良好的耐磨损性能。

其次，金刚石薄膜具有良好的导热性能，可以有效地传导热量。

这使得金刚石薄膜可以用于制作高性能的热传导材料，如散热器和热管理设备。

此外，金刚石薄膜还具有高化学稳定性和高热稳定性，可以在极端的条件下使用。

这使得金刚石薄膜在一些特殊的领域，如光学、电子和生物医学方面有广泛的应用。

金刚石薄膜在光学方面有许多应用。

由于金刚石薄膜具有较高的折射率和透过率，可以用于制作高性能的光学元件，如激光器窗口和透镜。

金刚石薄膜还具有优异的耐磨损性能，可以用于制作高性能的光学涂层，延长光学元件的使用寿命。

此外，金刚石薄膜还可以用于制作光学纤维和光学传感器。

金刚石薄膜在电子方面也有广泛的应用。

由于金刚石薄膜具有良好的导热性能和高化学稳定性，可以用于制作高功率电子器件的散热器和热管理设备。

金刚石薄膜还可以用于制作微电子元件，如高频微波器件和功率放大器。

此外，金刚石薄膜还可以用于制作高温电子设备，如航空航天电子设备和核电设备。

金刚石薄膜在生物医学方面也有一些应用。