从核心来看，类金刚石碳（DLC）涂层主要由碳原子组成。然而，它并非单一材料，而是一大类非晶碳涂层。DLC涂层的具体性能由不同碳键类型的比例以及有意添加的其他元素（如氢、硅或各种金属）决定。
关键的启示是，“DLC”描述的是一类材料，而非单一材料。添加元素（即“掺杂剂”）的选择使得工程师能够根据特定的工业应用调整涂层的性能——例如硬度、摩擦和热稳定性。
DLC解构：构成要素
DLC的独特特性源于其内部结构，即两种碳键的非晶态混合物。故意引入其他元素进一步修改了这种结构，以实现所需的性能结果。
碳骨架：sp³与sp²
每个DLC涂层都建立在非晶碳的基础上，这意味着其原子缺乏长程晶体有序性。这种碳结构包含两种碳键的混合物：sp³键（天然金刚石中发现的极硬的四面体键）和sp²键（柔软、润滑的石墨中发现的平面键）。sp³与sp²键的比例是决定涂层固有硬度和弹性的主要因素。
氢化DLC (a-C:H)
氢是DLC涂层中最常见的添加剂。氢化DLC (a-C:H)含有大量整合到非晶碳网络中的氢。氢原子有助于缓解硬涂层中常见的内部高应力，从而允许施加更厚的涂层而不会剥落。这些涂层以其极低的摩擦系数而闻名，尤其是在潮湿环境中。
非氢化DLC (ta-C)
另一方面是非氢化DLC，它由纯碳组成。最值得注意的是四面体非晶碳 (ta-C)。这种形式具有最高浓度的类金刚石sp³键（通常超过70%），使其成为最硬、最坚硬、最耐磨的DLC类型。然而，其高内应力限制了涂层的实际厚度。
金属掺杂DLC (Me-DLC)
为了提高韧性和承载能力，各种金属可以掺入碳结构中。在金属掺杂DLC中，添加了钨 (W)、钛 (Ti)或铬 (Cr)等元素。这些金属在非晶碳基体 (a-C:H) 中形成微小的碳化物纳米晶体，从而使涂层更具延展性，更能承受高冲击或重载应用。
硅掺杂DLC (Si-DLC)
硅是用于微调性能的另一个关键添加剂。硅掺杂DLC具有出色的热稳定性，使其适用于其他DLC可能降解的高温应用。它还提供非常低的摩擦系数，且对湿度的敏感性低于许多氢化DLC，确保在各种操作环境下都能稳定运行。
理解权衡
选择DLC配方是一个平衡相互竞争的性能的过程。没有哪种DLC类型在所有情况下都优越；每种都涉及一套独特的权衡。
硬度与内应力
最硬的涂层，如ta-C，具有最高的内部压应力。如果涂层太厚或施加到无法支撑的基材上，这种应力可能导致涂层分层或开裂。添加氢(a-C:H)可降低这种应力，从而允许更厚的涂层，但会牺牲一些最终硬度。
摩擦与操作环境
涂层的摩擦行为可能高度依赖于其周围环境。虽然许多a-C:H涂层提供超低摩擦，但其性能可能依赖于大气湿度的存在。在真空或非常干燥的环境中，其润滑性可能会降低。Si-DLC涂层通常在更广泛的湿度范围内提供更一致的低摩擦性能。
耐磨性与韧性
纯碳涂层（ta-C）由于其极高的硬度而具有最佳的耐磨性。然而，它们可能很脆。对于涉及高冲击或显著表面变形的应用，更坚韧的金属掺杂DLC通常是更好的选择，因为它不易碎裂或开裂，尽管其绝对硬度较低。
为您的应用选择合适的DLC
DLC材料的选择应完全由您的应用的主要需求驱动。
- 如果您的主要关注点是最大硬度和耐磨性：选择非氢化四面体非晶碳 (ta-C) 涂层。
- 如果您的主要关注点是发动机部件等组件的最低可能摩擦：氢化 (a-C:H) 涂层通常是最佳起点。
- 如果您的主要关注点是韧性和高接触压力下的性能：金属掺杂DLC，如钨-DLC (W-DLC)，是最合适的选择。
- 如果您的主要关注点是热稳定性或在不同湿度下保持一致的低摩擦：硅掺杂 (Si-DLC) 涂层是更优的选择。
最终，了解每种材料成分的作用使您能够选择为特定性能目标而设计的DLC配方。
总结表：
| DLC类型 | 主要材料 | 主要性能 | 最适合 |
|---|---|---|---|
| 四面体 (ta-C) | 纯碳 | 极高硬度，高耐磨性 | 最大耐磨性 |
| 氢化 (a-C:H) | 碳 + 氢 | 低摩擦，较低内应力 | 最低摩擦（例如，发动机部件） |
| 金属掺杂 (Me-DLC) | 碳 + 金属 (W, Ti, Cr) | 高韧性，承载能力 | 高冲击或重载应用 |
| 硅掺杂 (Si-DLC) | 碳 + 硅 | 高热稳定性，一致摩擦 | 高温或湿度变化环境 |
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