Diamantový uhlík ( anglicky Diamond-like carbon (DLC) , diamond-like coating (APP) ) je materiál vyrobený z amorfního uhlíku s převážně čtyřstěnnými uhlíkovými vazbami. Má některé vlastnosti diamantu . Používá se ve formě tvrdých povlaků k ochraně povrchů jiných materiálů [1] .
Existuje sedm různých forem DLC [2] . Všechny obsahují značné množství sp 3 - hybridizovaných atomů uhlíku. Důvodem existence různých forem je to, že i diamant lze nalézt v jednom ze dvou krystalových polytypů . Atomy obyčejného diamantu jsou organizovány v kubické mřížce a jeho vzácná modifikace ( lonsdaleit ) má hexagonální strukturu. V důsledku míchání těchto dvou typů různými způsoby v nanoměřítku vzniká amorfní struktura podobná diamantu. Tenké fólie tohoto materiálu jsou pružné. Nejtvrdší, nejpevnější, anti-frikční struktura je struktura známá jako tetraedrický amorfní uhlík (ta-C). Například povlak z ta-C o tloušťce pouze 2 mikrony díky své tvrdosti zvyšuje odolnost běžné nerezové oceli proti oděru a životnost se může zvýšit z jednoho týdne na 85 let. Tetraedrická forma může být považována za „čistý“ uhlík podobný diamantu, protože se skládá pouze z atomů sp 3 vázaných. Průmyslově vyráběné povlaky podobné diamantu obsahují nečistoty, které se objevují jednak jako důsledek nedostatků ve způsobech výroby filmu, jednak jsou zaváděny záměrně, aby jim dodaly určité vlastnosti. Různé formy DLC lze aplikovat prakticky na jakýkoli materiál, který je kompatibilní s vakuovou depozicí.
Přirozeně se vyskytující diamant je téměř vždy v krystalické formě s čistě kubickou sp 3 orientací vázaných atomů uhlíku. Někdy se vyskytují defekty v krystalové mřížce nebo inkluze atomů jiných prvků, které dávají kameni barvu, ale uspořádání uhlíku v mřížce zůstává kubické s vazbou sp 3 . Vnitřní energie kubických polytypů je o něco menší než u hexagonálních forem a rychlost růstu krystalu z roztaveného materiálu při přirozené a hromadné výrobě syntetických diamantů je dostatečně pomalá, že mřížková struktura roste v nízké (kubické) formě energie, což je možné pro sp 3 vazby atomů uhlíku. Na rozdíl od toho jsou DLC povlaky typicky vyráběny procesy, ve kterých jsou atomy uhlíku rychle ochlazovány a zhášeny na relativně chladných površích při vysoké energii. Takové procesy mohou být například v plazmatu , nanášení pomocí filtrovaného katodového oblouku , naprašování a nanášení iontovým paprskem .
V těchto případech mohou být kubické a hexagonální mřížky náhodně smíchány, atomová vrstva po atomové vrstvě, protože není čas, aby jedna z krystalových geometrií rostla na úkor druhé, než atomy zamrznou na místě v materiálu. Výsledkem amorfních DLC mohou být materiály, které nemají krystalický řád na dlouhé vzdálenosti. Bez řádu na dlouhé vzdálenosti neexistují žádné křehké roviny trhlin. Proto jsou takové povlaky pružné a konformně potažené základnímu tvaru, ale zároveň pevné jako diamant. Ve skutečnosti byla tato vlastnost použita ke studiu opotřebení atom po atomu v nanoměřítku v DLC. [3]
Jsou známy následující způsoby získávání uhlíku podobného diamantu: [4]
Jak název napovídá, hodnota DLC pochází z jeho schopnosti přenést některé vlastnosti diamantu na povrch prakticky jakéhokoli materiálu. Hlavními žádoucími vlastnostmi jsou tvrdost, odolnost proti opotřebení a hladkost (koeficient tření APP filmu proti leštěné oceli se pohybuje od 0,05 do 0,20 [5] ) . Vlastnosti tohoto povlaku silně závisí na způsobu depozice [6] [7] , parametrech depozice (elektrické posuvné napětí substrátu [8] , tloušťka povlaku DLC [9] [10] , tloušťka podvrstvy atd.). Kromě toho tepelné zpracování také mění vlastnosti povlaku, jako je tvrdost, houževnatost a rychlost opotřebení. [jedenáct]
Typy meziatomových vazeb mají významný vliv na materiálové vlastnosti tenkých vrstev amorfního uhlíku. Pokud je přítomen typ sp 2 , pak bude fólie měkčí, pokud je přítomen typ sp 3 , pak bude fólie tužší [12] . Významná je také přítomnost nečistot, především vodíku. Některé výrobní metody používají jako katalyzátor vodík nebo metan a značné procento vodíku může zůstat v materiálu. Vzhledem k tomu, že měkké plasty a polyetylen jsou vyrobeny z uhlíku, který je vázán čistou vazbou sp3 podobnou diamantu , ale obsahuje také chemickou vazbu vodíku, není divu, že frakce vodíku ponechané v DLC filmech značně zhoršují jejich vlastnosti. stejným způsobem jako zbytky uhlíkové vazby sp 2 . Nejvyšší tvrdost má čistý diamant podobný uhlíku bez vodíku, ve kterém jsou všechny meziatomové vazby typu sp 3 .
Stejná vnitřní napětí, která poskytují tvrdost materiálů podobných diamantu, mají tendenci odtrhnout povlak od chráněného substrátu. Boj proti tomu se provádí různými způsoby v závislosti na možnostech použité metody aplikace. Nejjednodušší je použití přirozených chemických vazeb s materiálem substrátu, které se tvoří, pokud je možná reakce tvorby silných karbidů . Pokud je podkladový materiál netvoří, je pokryt tenkou podvrstvou nějakého karbidotvorného kovu, jako je titan nebo železo . Jiné způsoby, jak zajistit adhezi, jsou například nanášení mezilehlých vrstev, které mají meziatomové vzdálenosti různé od charakteristik substrátu až po vzdálenosti DLC.
Diamantové povlaky se často používají k prevenci opotřebení a snížení tření díky jejich vynikajícím tribologickým vlastnostem. Jsou extrémně odolné vůči abrazivnímu a adhezivnímu opotřebení, což umožňuje jejich použití v podmínkách vysokých kontaktních tlaků, jak při válcování, tak při klouzání. APP se často používají ke zvýšení životnosti žiletek, obráběcích nástrojů, především vrtáků a fréz . Používají se v ložiskách , vačkových mechanismech . Diamantové povlaky prodlužují dobu, po kterou může převodovka fungovat za podmínek nedostatečného mazání. Navzdory vynikajícím tribologickým vlastnostem APP by měly být na slitinách železa používány s opatrností. Při zvýšených teplotách může substrát nebo protitěleso v sobě rozpouštět uhlík, což má za následek ztrátu funkčnosti povlaku. Tento jev brání použití nástrojů s povlakem DLC pro zpracování oceli.
S nízkým obsahem grafitové fáze v povlaku podobném diamantu nebo s velkým počtem vodíkových vazeb se může jednat o dielektrikum s vysokou hodnotou odporu. V jiných případech může mít materiál vodivost, která má tunelovou povahu . Při tomto typu vedení se elektrony pohybují kvantovým tunelováním mezi záplatami vodivého materiálu obklopeného dielektrikem. Výsledkem je proces, který z materiálu dělá něco jako polovodič. V současné době probíhá výzkum, který má najít praktické uplatnění tohoto efektu.
Použití APP obvykle zvyšuje odolnost materiálu proti abrazivnímu opotřebení . Diamantový povlak se často používá k povlakování nástrojů (s výjimkou těch, které jsou určeny pro obrábění slitin na bázi železa ), jako jsou stopkové frézy , vrtáky , zápustky a formy . Povlak zvyšuje tvrdost a odolnost břitů proti opotřebení, zabraňuje ulpívání třísek na povrchu nástroje a snižuje tření.
APP se také používá v motorech nejmodernějších sportovních motocyklů, závodních vozů Formule 1, vozů NASCAR a jako povlak na plotnách a hlavách pevných disků k ochraně proti selhání hlavy.
Téměř všechny vícebřité holicí strojky používané pro mokré holení mají diamantový uhlíkový okraj, který snižuje tření a zabraňuje podráždění citlivé pokožky.
APP má dobrou biokompatibilitu , což z něj činí atraktivní materiál pro lékařské aplikace. Takové povlaky se používají ke zvýšení životnosti umělých kloubů, ke snížení tvorby trombů během stentování koronárních tepen a k výrobě umělého srdce .
Díky své sytě černé barvě v kombinaci s odolností proti poškrábání a agresivním účinkům lidského potu našel uhlík podobný diamantu uplatnění jako dekorativní povlak ve šperkařském a hodinářském průmyslu.