类金刚石碳（DLC）的核心是一类非晶态碳薄膜涂层，因其模仿金刚石的独特性能组合而备受推崇。这些特性包括卓越的硬度、极低的摩擦系数、高耐磨性和化学惰性，使其成为要求严苛的工程应用的强大解决方案。
“类金刚石碳”一词并非指单一材料，而是一系列涂层。通过控制硬的类金刚石（
sp³）原子键与软的类石墨（sp²）键的内部比例，可以精确调整其性能，这是使涂层与特定技术挑战相匹配的关键。
两种键的结合：DLC特性的来源
DLC的卓越特性源于其独特的内部结构。与金刚石或石墨的纯晶体结构不同，DLC是非晶态的——它是两种不同类型的碳-碳键的无序混合物。
sp³ 金刚石键
这是天然金刚石中发现的四面体键。它非常坚固和刚性，直接负责DLC涂层的硬度、刚度和耐磨性。
sp² 石墨键
这是石墨中发现的三角平面键。这些键形成易于相互滑动的层状薄片，这就是石墨具有润滑性的原因。在DLC中，这些键有助于低摩擦并赋予材料其特有的深色外观。
为什么sp³/sp²比例至关重要
DLC涂层的最终性能是这两种键类型比例的直接结果。较高百分比的sp³键会产生更硬、更“类金刚石”的薄膜。相反，较高的sp²含量可以使涂层具有较低的内应力，有时摩擦力也较低。
DLC的核心工程特性
控制原子结构使工程师能够在部件表面实现一系列有价值的特性。
卓越的硬度和耐磨性
DLC涂层异常坚硬，通常在10到40吉帕斯卡（GPa）以上，某些形式接近天然金刚石的硬度（约100 GPa）。这直接转化为卓越的抗磨损和抗粘着磨损保护。
极低的摩擦力
DLC是已知最具润滑性的材料之一，在干燥环境中，其与钢的摩擦系数可低至0.05。这种特性，通常称为超润滑性，显著减少了运动部件的能量损失和热量产生。
化学惰性和耐腐蚀性
DLC致密、无针孔的结构使其成为优异的阻隔涂层。它对大多数酸、碱和溶剂呈惰性，有效保护底层基材免受腐蚀和化学侵蚀。
生物相容性
碳是人体中的基本元素。因此，DLC涂层具有高度的生物相容性和无毒性，使其非常适用于支架、骨科关节和手术工具等医疗植入物，在这些应用中，防止不良反应至关重要。
了解权衡和局限性
尽管功能强大，但DLC涂层并非万能解决方案。了解其局限性对于成功实施至关重要。
高内应力
含有非常高百分比sp³键的涂层（最硬的DLC形式）也表现出高的内部压应力。这种应力会限制涂层的实际厚度，如果未能通过适当的表面处理和粘合层进行管理，可能会导致其从基材上剥离。
有限的热稳定性
标准DLC涂层在空气中温度超过350-400°C时开始分解并转化回较软的石墨（sp²碳）。这限制了它们在高温应用中的使用，除非它们掺杂有硅（Si）或钨（W）等元素以提高热稳定性。
基材附着力挑战
在DLC薄膜与部件表面之间实现牢固的结合至关重要。这通常需要细致的基材清洁以及使用金属或陶瓷中间层（如铬或硅），以确保涂层正确附着并按预期发挥作用。
为您的应用选择合适的DLC
DLC的选择完全取决于您需要解决的主要问题。
- 如果您的主要关注点是极高的硬度和耐刮擦性： 非氢化、高
sp³涂层（称为四面体非晶碳或ta-C）是切削工具或奢侈手表部件等应用的最佳选择。 - 如果您的主要关注点是摩擦学系统中尽可能低的摩擦和磨损： 氢化非晶碳（
a-C:H）涂层通常是理想的，特别是对于汽车部件，如气门挺杆和活塞环。 - 如果您的主要关注点是在高温下或降低内应力下的性能： 考虑金属掺杂（Me-DLC）或硅掺杂（Si-DLC）涂层，以提高更严苛环境下的热稳定性和韧性。
最终，DLC并非单一产品，而是一个多功能的平台，用于工程表面以实现精确定制的性能。
总结表：
| 关键特性 | 描述 | 主要益处 |
|---|---|---|
| 硬度与耐磨性 | 硬度高达40+ GPa，接近金刚石。 | 防止磨损和粘着磨损。 |
| 低摩擦（超润滑性） | 摩擦系数低至0.05。 | 减少运动部件的能量损失和热量。 |
| 化学惰性 | 致密、无针孔的化学屏障。 | 基材优异的耐腐蚀性。 |
| 生物相容性 | 无毒且与人体兼容。 | 适用于医疗植入物和手术工具。 |
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