类金刚石涂层是如何工作的？解锁卓越硬度和低摩擦

从核心来看，类金刚石碳（DLC）涂层通过在部件表面形成一层薄薄的非晶碳膜来发挥作用。 这层膜既不是纯金刚石也不是纯石墨，而是一种独特的混合体。它包含极其坚硬的金刚石型原子键（称为sp3）和光滑的石墨型原子键（称为sp2）的混合物，它们结合在一起，同时提供卓越的硬度和低摩擦。

DLC 的基本原理是原子级工程。通过在沉积过程中控制金刚石（硬）与石墨（润滑）键的比例，制造商可以微调涂层的性能，以满足特定的性能目标，从极端的耐磨性到超低摩擦。

性能背后的科学：sp3 与 sp2 键

DLC 的独特功能并非魔法；它们是碳原子在薄膜内相互结合的特定方式的直接结果。

sp3 键是赋予天然金刚石传奇硬度的三维四面体结构。在 DLC 薄膜中，这些 sp3 键的比例越高，直接转化为更高的硬度、抗划伤性和耐磨性。

这种结构形成了一个坚固、相互连接的原子网络，强烈抵抗变形或穿透。

sp2 键是石墨中发现的二维平面结构。这些平面可以以非常小的力相互滑动，这就是石墨成为优秀固体润滑剂的原因。

DLC 基体中 sp2 键的存在是涂层固有低摩擦系数的原因，减少了部件相互滑动所需的能量。

与金刚石或钢等晶体材料不同，DLC 是非晶态的，这意味着其原子没有长程、有序的排列。这是一个显著的优势。

晶体材料具有晶界，晶界是裂纹开始和扩展的天然弱点。非晶 DLC 薄膜中缺乏这些晶界，使其在微观层面上更坚韧，更耐断裂。

应用仅几微米厚的薄膜需要高度专业化的真空工艺。

在 PVD 中，高能过程（如电弧或激光）撞击真空室内的固体石墨靶材。这会使碳原子汽化，然后碳原子移动并凝结到部件上，形成致密的 DLC 薄膜。

在 PACVD 中，将含碳气体（如乙炔）引入腔室。然后产生等离子体，分解气体分子并使碳原子获得能量，从而沉积到部件表面。这种方法允许掺入氢，从而产生具有极低摩擦的特定类型的 DLC。

任何 DLC 涂层的性能完全取决于其附着到基材的能力。在涂覆之前，部件必须在微观层面上完美清洁。

通常，首先沉积一个或多个薄的中间层（例如，铬或硅）。这些“结合层”充当部件基材和最终 DLC 薄膜之间的稳定锚。

虽然功能强大，但 DLC 并非万能解决方案。了解其局限性是成功实施的关键。

DLC 薄膜的质量取决于其与部件的结合力。如果表面处理不佳，涂层在应力下可能会剥落或脱落。

此外，涂层是一个非常薄、坚硬的外壳。如果底层材料柔软并在负载下显著变形，脆性 DLC 层可能会开裂，因为它无法随基材一起拉伸。

大多数 DLC 涂层在高于 350°C (660°F) 的温度下开始分解并转化为较软的石墨（称为石墨化过程）。这限制了它们在某些高温发动机或排气部件中的使用。

“DLC”一词指的是一系列涂层，而不是单一材料。不同类型包括氢化（a-C:H）、非氢化（a-C）和四面体非晶碳（ta-C）。它们在硬度、摩擦和成本方面差异很大。在没有进一步细节的情况下指定“DLC”不足以用于技术应用。

选择正确的涂层需要将其特性与您的主要工程目标相匹配。

通过了解原子结构和材料特性之间的相互作用，您可以指定一种 DLC 涂层，以提供精确、可预测的性能优势。