从最根本的层面来看，类金刚石碳（DLC）涂层的基材是非晶碳。这意味着它由碳原子组成，但与金刚石或石墨不同，它们的排列没有重复的晶体结构。DLC的独特性能源于其混合性质，包含金刚石型和石墨型原子键的混合。
DLC的核心不是单一材料，而是一系列非晶碳涂层。其真正的价值在于金刚石状（sp³）和石墨状（sp²）原子键的工程化混合，从而实现了极高硬度和低摩擦润滑性的独特结合。
“类金刚石碳”到底是什么意思？
要理解DLC，您必须超越元素本身，专注于其原子结构。这个名称本身描述了一种模仿金刚石特性但并非真正金刚石的材料。
核心成分：碳
该涂层完全由碳原子构成，与形成金刚石（已知最硬的天然材料）和石墨（一种柔软、滑润的润滑剂）的元素相同。区别完全在于这些原子的结合方式。
混合键结构：sp³ 与 sp²
这是DLC性能的关键。
- sp³ 键：这是天然金刚石中发现的四面体键。它极其坚固和刚性，赋予DLC其特有的高硬度和耐磨性。
- sp² 键：这是石墨中发现的平面键。这些键在其层之间较弱，使其易于滑动，从而赋予DLC低摩擦系数和润滑性。
DLC是一种工程薄膜，其中硬sp³键与滑润sp²键的比例在沉积过程中被精确控制，以实现特定的性能。
氢的作用
许多常见的DLC形式是氢化的（表示为a-C:H）。在沉积过程中引入氢有助于稳定非晶结构。这可以减少薄膜中可能产生的内部高应力，从而改善附着力并允许更厚的涂层。
它所应用的“基材”（衬底）
虽然涂层本身是碳，但它几乎总是应用于另一种材料，即衬底。衬底的选择与涂层本身一样重要。
常见衬底
DLC可以应用于各种材料，只要它们与真空沉积工艺兼容。常见的衬底包括大多数钢材、钛合金、铝合金、硬质合金，甚至一些塑料和陶瓷。
为什么衬底选择很重要
衬底提供组件的整体强度和形状。DLC涂层是非常薄的薄膜（通常为1-5微米），仅提供表面特性。在容易变形的软衬底上涂覆硬DLC涂层只会导致其开裂和剥落。
中间层的需求
附着力是一个主要考虑因素。由于材料性能和内应力的差异，DLC通常沉积在一层或多层金属中间层上。通常首先在衬底上涂覆一层薄薄的铬（Cr）或钛（Ti）等材料，作为“粘合剂”，确保DLC薄膜牢固附着。
理解权衡
没有完美的涂层，选择DLC需要理解其局限性。了解这些权衡对于成功实施至关重要。
内应力与硬度
较高比例的金刚石状sp³键会增加硬度，但也会显著增加涂层的内部压应力。如果管理不当（例如，使用氢或中间层），这种应力可能导致涂层从衬底上分层或剥落。
温度限制
DLC不适用于高温应用。当在空气中暴露于约350°C（660°F）以上的温度时，硬sp³键开始分解并转化为较软的sp²（石墨状）键，导致涂层失去其硬度和保护性能。
脆性和抗冲击性
由于其高硬度，DLC本质上是脆性的。它提供出色的滑动耐磨性，但可能会被尖锐的直接冲击削裂或断裂。底层衬底的韧性对其整体冲击耐久性起着重要作用。
为您的目标做出正确选择
“DLC”一词代表了一系列涂层。正确的选择完全取决于您的主要工程目标。
- 如果您的主要重点是最大硬度和耐磨性：您需要具有尽可能高sp³含量的涂层，例如非氢化的四面体非晶碳（ta-C）。
- 如果您的主要重点是尽可能低的摩擦：氢化非晶碳（a-C:H）或掺硅DLC（Si-DLC）通常提供最佳润滑性，尤其是在潮湿或大气条件下。
- 如果您的重点是涂覆较软材料或提高韧性：掺金属DLC（例如WC-C），其中包含碳化钨纳米颗粒，可以提供较低的内应力和更好的承载支撑。
理解DLC是碳的一种工程形式，而非单一物质，是发挥其在您应用中全部潜力的关键。
总结表：
| 关键方面 | 描述 |
|---|---|
| 基材 | 非晶碳 (C) |
| 原子键合 | 金刚石状 (sp³) 和石墨状 (sp²) 键的混合 |
| 常见类型 | 氢化 (a-C:H)、四面体 (ta-C)、掺金属 (例如，WC-C) |
| 主要性能 | 极高硬度、低摩擦、耐磨性 |
| 主要限制 | 温度敏感性（在约350°C / 660°F以上会降解） |
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