類金剛石（英文：Diamond-likeCarbon 縮寫DLC）是一種非晶碳，這種材料表現(xiàn)出很多與金剛石相類似的性質(zhì)，DLC常常作為涂層材料使用。
類金剛石的微觀結(jié)構(gòu)
為了弄清楚類金剛石的概念，我們首先研究一下碳元素。

碳元素廣存在于自然界當(dāng)中，我們平時(shí)看到的鉆石、石墨、富勒烯、碳納米管等等都是碳元素形成的。

碳元素有3種雜化鍵，sp1、sp2、sp3。這三種鍵的不同含量組合，構(gòu)成不同形態(tài)的分子結(jié)構(gòu)，從而表現(xiàn)出不同的性質(zhì)。 

當(dāng)碳原子以sp3鍵的雜化軌道行程共價(jià)鍵的時(shí)候，就會(huì)形成金剛石。當(dāng)碳原子以sp2鍵的雜化軌道行程共價(jià)鍵的時(shí)候，就會(huì)形成石墨。當(dāng)以碳原子sp2、sp3鍵混合雜化的時(shí)候，形成的就是類金剛石了。

類金剛石常常是以薄膜形式使用的，類金剛石薄膜具有高硬度.高電阻率.良好光學(xué)性能等，同時(shí)又具有自身獨(dú)特摩擦學(xué)特性的非晶碳薄膜。碳元素因碳原子和碳原子之間的不同結(jié)合方式，從而使其產(chǎn)生不同的物質(zhì)：金剛石（diamond）—碳碳以 sp3鍵的形式結(jié)合；石墨（graphite）—碳碳以sp2鍵的形式結(jié)合；而如同緒論里所述類金剛石（DLC）—碳碳則是以sp3和 sp2鍵的形式結(jié)合，生成的無定形碳的一種亞穩(wěn)定形態(tài)，它沒有嚴(yán)格的定義，可以包括很寬性質(zhì)范圍的非晶碳，因此兼具了金剛石和石墨的優(yōu)良特性；所以由類金剛石而來的DLC膜同樣是一種亞穩(wěn)態(tài)長程無序的非晶材料，碳原子間的鍵合方式是共價(jià)鍵，主要包含sp2和sp3兩種雜化鍵，而在含氫的DLC膜中還存在一定數(shù)量的C-H鍵。
由兩個(gè)相同或不相同的原子軌道沿軌道對稱軸方向相互重疊而形成的共價(jià)鍵，叫做σ鍵。σ鍵是原子軌道沿軸方向重疊而形成的，具有較大的重疊程度，因此σ鍵比較穩(wěn)定。σ鍵是能圍繞對稱軸旋轉(zhuǎn)，而不影響鍵的強(qiáng)度以及鍵跟鍵之間的角度（鍵角）。根據(jù)分子軌道理論，兩個(gè)原子軌道充分接近后，能通過原子軌道的線性組合，形成兩個(gè)分子軌道。其中，能量低于原來原子軌道的分子軌道叫成鍵軌道，能量高于原來原子軌道的分子軌道叫反鍵軌道。以核間軸為對稱軸的成鍵軌道叫σ軌道，相應(yīng)的鍵叫σ鍵。以核間軸為對稱軸的反鍵軌道叫σ*軌道，相應(yīng)的鍵叫σ*鍵。分子在基態(tài)時(shí)，構(gòu)成化學(xué)鍵的電子通常處在成鍵軌道中，而讓反鍵軌道空著。σ鍵是共價(jià)鍵的一種。它具有如下特點(diǎn)：首先，σ鍵有方向性，兩個(gè)成鍵原子必須沿著對稱軸方向接近，才能達(dá)到大重疊；第二點(diǎn)，成鍵電子云沿鍵軸對稱分布，兩端的原子可以沿軸自由旋轉(zhuǎn)而不改變電子云密度的分布；第三點(diǎn)，σ鍵是頭碰頭的重疊，與其它鍵相比，重疊程度大，鍵能大，因此，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。共價(jià)單鍵是σ鍵，共價(jià)雙鍵有一個(gè)σ鍵，π鍵，共價(jià)三鍵由一個(gè)σ鍵，兩個(gè)π鍵組成。
類金剛石的類型

類金剛石薄膜（DLC）是1種非晶薄膜，可分為無氫類金剛石碳膜(a-C)和氫化類金剛石碳膜(a-C：H)(圖2)兩類 。無氫類金剛石碳膜有a-C膜(主要由sp3和sp2鍵碳原子相互混雜的三維網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成)，以及四面體非晶碳(tetrahedral carbon，簡稱ta-C)(主要由超過80%的sp3鍵碳原子為骨架構(gòu)成)；氫化類金剛石碳膜(a-C：H)又可分為類聚合物非晶態(tài)碳(polymer—like carbon，簡稱PLC)、類金剛石碳、類石墨碳3種，其三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中同時(shí)還結(jié)合一定數(shù)量的氫.
類聚合物非晶態(tài)碳是含氫金剛石薄膜的一種它是非晶體又有類似于聚合物那種通過相同簡單的結(jié)構(gòu)單元通過共價(jià)鍵重復(fù)連接而成的化合物。這種類金剛石薄膜因?yàn)閟p2鍵占據(jù)了主要數(shù)量，所以比較軟，又不具備石墨的特性，使得它的用途受到了限制，在摩擦學(xué)的應(yīng)用上還處在起步階段。
類金剛石碳膜（diamond-like carbon films，簡稱DLC膜），是含有類似金剛石結(jié)構(gòu)的非晶碳膜，也是我們在這里真正需要介紹的一種。DLC膜的基本成分是碳，由于其碳的來源和制備方法的差異，DLC膜可分為含氫和不含氫兩大類。DLC膜是一種亞穩(wěn)態(tài)長程無序的非晶材料，碳原子間的鍵合方式是共價(jià)鍵，主要包含sp2和sp3兩種雜化鍵，在含氫DLC膜中還存在一定數(shù)量的C-H鍵。我們從1996年起開始磁過濾真空弧及沉積DLC膜研究，正在完善工業(yè)化技術(shù)。如等離子體源沉積法、離子束源沉積法、孿生中頻磁控濺射法、真空陰極電弧沉積法和脈沖高壓放點(diǎn)等。不同的制備方法，DLC膜的成分、結(jié)構(gòu)和性能不同。
類金剛石碳膜（Diamond-like carbon films，簡稱DLC膜）作為新型的硬質(zhì)薄膜材料具有一系列優(yōu)異的性能，如高硬度、高耐磨性、高熱導(dǎo)率、高電阻率、良好的光學(xué)透明性、化學(xué)惰性等，可廣用于機(jī)械、電子、光學(xué)、熱學(xué)、聲學(xué)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，具有良好的應(yīng)用前景。我們開發(fā)了等離子體-離子束源增強(qiáng)沉積系統(tǒng)，并同過該系統(tǒng)中的磁過濾真空陰極弧和非平衡磁控濺射來進(jìn)行DLC膜的開發(fā)。
該項(xiàng)技術(shù)廣用于電子、裝飾、宇航、機(jī)械和信息等領(lǐng)域，用于摩擦、光學(xué)功能等用途。目前在我國技術(shù)正處于發(fā)展和完善階段，有巨大市場潛力。
類石墨碳是含氫類金剛石中的較后一類，它具有類似于石墨的特性，sp2在含量較高在百分之七十左右。現(xiàn)代，類金剛石碳膜因同時(shí)具有高硬度和低摩擦系數(shù)而引起廣關(guān)注, 然而, 它與工業(yè)中常用的鐵基材料存在“ 觸媒效應(yīng)” ,即, 鍍的刀具在加工黑色金屬的過程中高硬度砂鍵會(huì)轉(zhuǎn)化成軟的護(hù)鍵, 使耐磨性急劇下降, 因此限制了它的應(yīng)用范圍年限, 柳襄懷等采用離子束輔助沉積功技術(shù)制備出了用于滿足電磁功能要求的“ 石墨化” 的膜年, 提出存在高硬度“碳結(jié)構(gòu)”，其后,英國及公司采用全封閉非平衡磁控濺射制備出了高硬度碳膜一鍍層閱研究表明一以砂結(jié)構(gòu)為主, 在與鋼鐵材料摩擦?xí)r未出現(xiàn)“ 觸媒效應(yīng)” 且硬度適中、摩擦系數(shù)小、比磨損率較低一個(gè)數(shù)量級, 具有極其優(yōu)越的摩擦學(xué)性能碳膜的結(jié)構(gòu)和性能很大程度上與其制備工藝有關(guān)方法便于控制輔助轟擊參數(shù)以改變鍍層的結(jié)構(gòu), 磁控濺射沉積速率較高, 可制備厚鍍層，此類碳膜既非又非普通石墨, 暫稱之為類石墨碳膜。
【返回列表】