คาร์บอนคล้ายเพชร
ประเภทของวัสดุคาร์บอนอสัณฐาน
โดมเคลือบด้วย DLC เพื่อวัตถุประสงค์ ด้านออปติคัลและ ไตรโบโลยี
ฟิล์มบาง ta-C บนซิลิกอน (เส้นผ่านศูนย์กลาง 15 มม.) ที่มีความหนา 40 นาโนเมตรและ 80 นาโนเมตร
ชิ้นส่วนวาล์วโลหะผสมร่วมจากแหล่งผลิตน้ำมัน (เส้นผ่านศูนย์กลาง 30 มม.) เคลือบด้วยta-C ทางด้านขวา เพื่อทดสอบความต้านทานเพิ่มเติมต่อการเสื่อมสภาพจากสารเคมีและสารกัดกร่อนในสภาพแวดล้อมการทำงาน

คาร์บอนคล้ายเพชร ( Diamond-like carbon หรือ DLC ) เป็น คาร์บอนอสัณฐานชนิดหนึ่งที่มีคุณสมบัติทั่วไปบางประการของเพชร DLC มักใช้เป็นสารเคลือบวัสดุอื่นๆ ที่สามารถใช้ประโยชน์จากคุณสมบัติดังกล่าวได้[1]

DLC มีอยู่ใน 7 รูปแบบที่แตกต่างกัน[2]ทั้ง 7 รูปแบบมี อะตอม คาร์บอนไฮบริด ไดซ์ sp 3 จำนวนมาก เหตุผลที่มีหลายประเภทก็คือสามารถพบเพชรได้ในโพลีไทป์ผลึกสองแบบ ประเภทที่พบมากที่สุดใช้โครงตาข่ายลูกบาศก์ในขณะที่ประเภทที่พบน้อยกว่า คือลอนส์เดลไอต์มีโครงตาข่ายหกเหลี่ยมเมื่อผสมโพลีไทป์เหล่านี้ในระดับนาโน ก็จะสามารถสร้างสารเคลือบ DLC ที่มีลักษณะอะมอร์ฟัส ยืดหยุ่น และเป็น "เพชร" ที่มีพันธะ sp 3 อย่างแท้จริง ได้ คาร์บอนอะมอร์ฟัสทรงสี่หน้า (ta-C) ที่แข็งที่สุด แข็งแกร่งที่สุด และลื่นที่สุด[3] Ta-C ถือเป็น DLC รูปแบบ "บริสุทธิ์" เนื่องจากประกอบด้วยอะตอมคาร์บอนที่มีพันธะ sp 3 เกือบทั้งหมด สารตัวเติม เช่นไฮโดรเจน คาร์บอน กราไฟต์ sp 2และโลหะ ถูกใช้ในรูปแบบอื่นอีก 6 รูปแบบเพื่อลดค่าใช้จ่ายในการผลิตหรือเพื่อให้คุณสมบัติที่ต้องการอื่นๆ[4] [5]

DLC รูปแบบต่างๆ สามารถนำมาใช้กับวัสดุเกือบทุกชนิดที่เข้ากันได้กับสภาพแวดล้อมสุญญากาศ

ประวัติศาสตร์

ในปี พ.ศ. 2549 ตลาดการเคลือบ DLC แบบเอาท์ซอร์สมีมูลค่าประมาณ 30,000,000 ยูโรในสหภาพยุโรป

ในปี 2011 นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ดได้ประกาศการค้นพบเพชรอสัณฐานที่มีความแข็งเป็นพิเศษภายใต้สภาวะที่มีแรงกดดันสูงมาก เพชรชนิดนี้ไม่มีโครงสร้างผลึกเหมือนเพชรแต่มีน้ำหนักเบาเหมือนคาร์บอน[6] [7]

ในปี 2021 นักวิจัยชาวจีนได้ประกาศเปิดตัว AM-III ซึ่ง เป็น คาร์บอนอะมอร์ฟัส ที่มีความแข็งเป็นพิเศษและ มีพื้นฐานจากฟูลเลอรีน นอกจากนี้ยังเป็นสารกึ่งตัวนำที่มีช่วงแบนด์แก๊ประหว่าง 1.5 ถึง 2.2 eV วัสดุนี้แสดงความแข็ง 113 GPaในการทดสอบความแข็งแบบวิกเกอร์สเมื่อเทียบกับเพชรที่ประมาณ 70 ถึง 100 GPa ซึ่งแข็งพอที่จะขูดผิวเพชรได้[8]

ความแตกต่างระหว่างเพชรธรรมชาติและเพชรสังเคราะห์

เพชรที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติส่วนใหญ่มักอยู่ในรูปแบบผลึกที่มีการวางแนวเป็นลูกบาศก์ ล้วนๆ ของอะตอมคาร์บอนที่มีพันธะ sp3 บางครั้งอาจมีข้อบกพร่องของโครงตาข่ายหรือการรวมตัวของอะตอมของธาตุอื่นที่ทำให้หินมีสี แต่การจัดเรียงโครงตาข่ายของคาร์บอนยังคงเป็นลูกบาศก์และพันธะจะเป็น sp3 ล้วนๆพลังงานภายในของโพลีไทป์ลูกบาศก์จะต่ำกว่าของรูปแบบหกเหลี่ยม เล็กน้อย และอัตราการเจริญเติบโตจากวัสดุหลอมเหลวใน วิธีการผลิต เพชรสังเคราะห์ ทั้งแบบธรรมชาติและแบบจำนวนมาก นั้นช้าพอที่โครงสร้างโครงตาข่ายจะมีเวลาเติบโตในรูปแบบพลังงานต่ำที่สุด (ลูกบาศก์) ที่เป็นไปได้สำหรับพันธะ sp3 ของอะตอมคาร์บอน ในทางตรงกันข้าม DLC มักผลิตโดยกระบวนการที่คาร์บอนพรีเคอร์เซชันที่มีพลังงานสูง (เช่น ในพลาสมาในการสะสมอาร์คแคโทดิก ที่กรอง ในการสะสมสปัตเตอร์และในการสะสมลำแสงไอออน ) จะถูกทำให้เย็นลงอย่างรวดเร็วหรือดับบนพื้นผิวที่ค่อนข้างเย็น ในกรณีดังกล่าว โครงตาข่ายทรงลูกบาศก์และทรงหกเหลี่ยมสามารถผสมกันแบบสุ่มเป็นชั้นๆ ได้ทีละชั้น เนื่องจากไม่มีเวลาเพียงพอให้โครงสร้างผลึกด้านหนึ่งเติบโตขึ้นแทนที่อีกด้านก่อนที่อะตอมจะ "หยุดนิ่ง" อยู่ในวัสดุ การ เคลือบ DLC แบบอะมอร์ฟัสอาจส่งผลให้ได้วัสดุที่ไม่มีลำดับผลึกระยะไกล หากไม่มีลำดับระยะไกล จะไม่มีระนาบการแตกแบบเปราะ ดังนั้น การเคลือบดังกล่าวจึงมีความยืดหยุ่นและสอดคล้องกับรูปร่างพื้นฐานที่ถูกเคลือบ ในขณะที่ยังคงแข็งเหมือนเพชร ในความเป็นจริง คุณสมบัตินี้ถูกใช้ประโยชน์เพื่อศึกษาการสึกหรอของอะตอมต่ออะตอมในระดับนาโนใน DLC [9]

การผลิต

ภาพ SEMของแบบจำลองการเคลือบทองของสารเคลือบ "คล้ายเพชร" ta-C องค์ประกอบโครงสร้างไม่ใช่ผลึกแต่เป็นกลุ่มของอะตอมคาร์บอนที่มีพันธะ sp- 3เม็ดเล็กมากจนทำให้พื้นผิวดูเรียบเนียนราวกับกระจกเมื่อมองด้วยตา

มีหลายวิธีในการผลิต DLC ซึ่งอาศัยความหนาแน่นของคาร์บอน sp 2 ต่ำ กว่าคาร์บอน sp 3ดังนั้นการใช้แรงกดดัน แรงกระแทก การเร่งปฏิกิริยาหรือการรวมกันของสิ่งเหล่านี้ในระดับอะตอมสามารถบังคับให้อะตอมคาร์บอนที่มีพันธะ sp 2เข้าใกล้กันมากขึ้นเป็นพันธะ sp 3 ได้ [3]จะต้องดำเนินการนี้ให้แรงเพียงพอเพื่อให้อะตอมไม่สามารถแยกตัวกลับออกมาเป็นการแยกตัวที่เป็นลักษณะเฉพาะของพันธะ sp 2ได้ โดยทั่วไป เทคนิคต่างๆ จะรวมการบีบอัดดังกล่าวเข้ากับการผลักกลุ่มคาร์บอนที่มีพันธะ sp 3เข้าไปในชั้นเคลือบให้ลึกขึ้น เพื่อไม่ให้มีช่องว่างสำหรับการขยายตัวกลับไปสู่การแยกตัวที่จำเป็นสำหรับการเชื่อมพันธะ sp 2หรือไม่ก็ฝังกลุ่มคาร์บอนใหม่ไว้ด้วยการมาถึงของคาร์บอนใหม่ที่กำหนดไว้สำหรับรอบการกระทบครั้งต่อไป เป็นเรื่องสมเหตุสมผลที่จะมองว่ากระบวนการนี้เป็น "ลูกเห็บ" ของกระสุนปืนที่ผลิตเพชรธรรมชาติและเพชรสังเคราะห์ในรูปแบบเฉพาะที่ เร็วกว่า และมีขนาดนาโนเนื่องจากเกิดขึ้นโดยอิสระในหลายจุดบนพื้นผิวของฟิล์มหรือสารเคลือบที่กำลังเติบโต จึงมีแนวโน้มที่จะสร้างสิ่งที่คล้ายคลึงกันกับ ถนน หินกรวดโดยที่หินกรวดเป็นก้อนหรือกลุ่มของคาร์บอนที่มีพันธะ sp 3ขึ้นอยู่กับ "สูตร" เฉพาะที่ใช้ จะมีวัฏจักรของการสะสมคาร์บอนและการกระทบ หรือสัดส่วนต่อเนื่องของคาร์บอนใหม่ที่เข้ามาและโปรเจกไทล์ที่ส่งผลกระทบที่จำเป็นเพื่อบังคับให้เกิดพันธะ sp 3เป็นผลให้ta-Cอาจมีโครงสร้างเหมือนถนนหินกรวด หรือก้อนอาจ "ละลายเข้าด้วยกัน" จนกลายเป็นสิ่งที่คล้ายกับฟองน้ำหรือหินกรวดอาจมีขนาดเล็กจนแทบมองไม่เห็นในการถ่ายภาพ สัณฐานวิทยา "ตัวกลาง" แบบคลาสสิกของ ฟิล์ม ta-Cแสดงอยู่ในรูปภาพ

คุณสมบัติ

ตามที่ชื่อบอกเป็นนัยว่าคาร์บอนคล้ายเพชร (DLC) คุณค่าของสารเคลือบดังกล่าวมาจากความสามารถในการให้คุณสมบัติบางประการของเพชรกับพื้นผิวของวัสดุเกือบทุกชนิด คุณสมบัติที่พึงประสงค์หลักคือ ความแข็ง ความทนทานต่อการสึกหรอ และความลื่น ( ค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทาน ของฟิล์ม DLC เมื่อเทียบกับเหล็กขัดเงาอยู่ในช่วง 0.05 ถึง 0.20 [10] ) คุณสมบัติของ DLC ขึ้นอยู่กับพารามิเตอร์การสะสมของการประมวลผลพลาสม่า[11] [12] เช่น ผลของ แรงดันไฟฟ้าอคติ [ 13] ความหนาของ สารเคลือบ DLC [14] [15]ความหนาของชั้นระหว่างชั้น[16]เป็นต้น นอกจากนี้ การอบชุบด้วยความร้อนยังเปลี่ยนคุณสมบัติของสารเคลือบ เช่น ความแข็ง ความเหนียว และอัตราการสึกหรอ[17]

อย่างไรก็ตาม คุณสมบัติใดที่ถูกเพิ่มลงบนพื้นผิวและในระดับใดนั้นขึ้นอยู่กับรูปแบบใดใน 7 รูปแบบที่ใช้ และขึ้นอยู่กับปริมาณและประเภทของสารเจือจางที่เติมลงไปเพื่อลดต้นทุนการผลิต ในปี 2549 สมาคมวิศวกรเยอรมัน(VDI ) ซึ่งเป็นสมาคมวิศวกรรมที่ใหญ่ที่สุดในยุโรปตะวันตกได้ออกรายงานที่น่าเชื่อถือ VDI2840 [18]เพื่อชี้แจงถึงคำศัพท์และชื่อทางการค้าที่สับสนที่มีอยู่มากมาย รายงานดังกล่าวให้การจำแนกประเภทและการตั้งชื่อเฉพาะสำหรับฟิล์มคาร์บอนคล้ายเพชร (DLC) และฟิล์มเพชร รายงานดังกล่าวประสบความสำเร็จในการรายงานข้อมูลทั้งหมดที่จำเป็นในการระบุและเปรียบเทียบฟิล์ม DLC ที่แตกต่างกันซึ่งวางจำหน่ายในท้องตลาด โดยอ้างอิงจากเอกสารดังกล่าว:

พันธะ [sp 3 ] เหล่านี้สามารถเกิดขึ้นได้ไม่เพียงแต่กับผลึกเท่านั้น - กล่าวอีกนัยหนึ่งคือในของแข็งที่มีลำดับระยะไกล - แต่ยังเกิดขึ้นในของแข็งอสัณฐานที่อะตอมเรียงตัวกันแบบสุ่ม ในกรณีนี้ จะมีพันธะระหว่างอะตอมเดี่ยวเพียงไม่กี่ตัวเท่านั้น และไม่ได้อยู่ในลำดับระยะไกลที่ขยายออกไปครอบคลุมอะตอมจำนวนมาก ประเภทของพันธะมีอิทธิพลอย่างมากต่อคุณสมบัติของวัสดุของฟิล์มคาร์บอนอสัณฐาน หากประเภท sp 2เป็นส่วนใหญ่ ฟิล์มจะนิ่มกว่า หากประเภท sp 3เป็นส่วนใหญ่ ฟิล์มจะแข็งกว่า

พบว่าปัจจัยรองที่กำหนดคุณภาพคือปริมาณไฮโดรเจนในเศษส่วน วิธีการผลิตบางวิธีใช้ไฮโดรเจนหรือมีเทนเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา และไฮโดรเจนจำนวนมากอาจคงอยู่ในวัสดุ DLC สำเร็จรูป เมื่อย้อนกลับไปว่าพลาสติกโพลีเอทิลีนชนิด อ่อนทำมาจากคาร์บอนที่เชื่อมด้วยพันธะ sp 3คล้ายเพชรเท่านั้นแต่ยังรวมถึงไฮโดรเจนที่เชื่อมด้วยสารเคมีด้วย จึงไม่น่าแปลกใจที่ไฮโดรเจนในเศษส่วนที่เหลืออยู่ในฟิล์ม DLC จะทำให้ฟิล์มเสื่อมสภาพได้เกือบเท่ากับคาร์บอนที่เชื่อมด้วย sp 2ที่เหลือ รายงาน VDI2840 ยืนยันถึงประโยชน์ของการระบุวัสดุ DLC เฉพาะบนแผนที่ 2 มิติ ซึ่งแกน X อธิบายเศษส่วนของไฮโดรเจนในวัสดุ และแกน Y อธิบายเศษส่วนของอะตอมคาร์บอนที่เชื่อมด้วย sp 3สมบัติคล้ายเพชรที่มีคุณภาพสูงสุดได้รับการยืนยันว่าสัมพันธ์กับความใกล้ชิดของจุดแผนที่ที่พล็อตพิกัด (X,Y) ของวัสดุเฉพาะที่มุมซ้ายบนที่ (0,1) คือ ไฮโดรเจน 0% และพันธะ sp 3 100% วัสดุ DLC "บริสุทธิ์" นั้นคือta-Cและสารอื่นๆ เป็นค่าประมาณที่สลายตัวโดยตัวทำละลาย เช่น ไฮโดรเจน คาร์บอนที่มีพันธะ sp 2และโลหะ คุณสมบัติที่มีค่าของวัสดุที่เป็นta-Cหรือเกือบta-Cตามมา

ความแข็ง

ภาพ STMของพื้นผิวที่ขอบของชั้น เคลือบ ta-C "คล้ายเพชร" หนา 1 ไมโครเมตรบนสแตนเลส 304 หลังจากการกลิ้งในสารละลาย SiC 240 เมชเป็นเวลาต่างๆ กัน 100 นาทีแรกแสดงให้เห็นการขัดเงาออกจากชั้นเคลือบของคาร์บอนอ่อนที่ทับถมอยู่ ซึ่งถูกทับถมหลังจากรอบสุดท้ายของการกระแทก ทำให้พันธะเปลี่ยนสภาพเป็น sp 3บนส่วนที่ไม่ได้เคลือบของตัวอย่าง เหล็กประมาณ 5 ไมโครเมตรถูกขจัดออกในระหว่างการกลิ้งครั้งต่อไป ในขณะที่ชั้นเคลือบปกป้องส่วนของตัวอย่างที่เคลือบไว้อย่างสมบูรณ์

ภายใน "หินกรวด" ก้อนเนื้อ ก้อนเนื้อ หรือ "ฟองน้ำ" (ปริมาตรที่การยึดเกาะในพื้นที่เป็น sp 3 ) มุมการยึดเกาะอาจบิดเบือนไปจากที่พบในโครงตาข่ายลูกบาศก์หรือหกเหลี่ยมล้วนๆ เนื่องจากการผสมกันของทั้งสองอย่าง ผลลัพธ์คือแรงกดภายในที่อาจเพิ่มความแข็งที่วัดได้สำหรับตัวอย่าง DLC ความแข็งมักวัดโดยใช้ วิธี การนาโนอินเดนเตชันซึ่งใช้เข็มปลายแหลมของเพชรธรรมชาติกดลงไปบนพื้นผิวของตัวอย่าง หากตัวอย่างบางมากจนมีก้อนเนื้อเพียงชั้นเดียว เข็มอาจเข้าไปในชั้น DLC ระหว่างหินกรวดแข็งและดันให้แยกออกจากกันโดยไม่รู้สึกถึงความแข็งของปริมาตรที่ยึดเกาะด้วย sp 3การวัดจะต่ำ ในทางกลับกัน หากเข็มวัดเข้าไปในฟิล์มที่มีความหนาเพียงพอที่จะมีชั้นของก้อนเนื้อหลายชั้นจนไม่สามารถแพร่กระจายไปด้านข้างได้ หรือหากเข้าไปในชั้นเดียวของหินกรวด ก็จะวัดไม่เพียงแต่ความแข็งที่แท้จริงของการยึดเกาะของเพชรเท่านั้น แต่ยังวัดความแข็งที่ปรากฏซึ่งสูงกว่าด้วย เนื่องจากแรงกดภายในในก้อนเนื้อเหล่านั้นจะช่วยเพิ่มความต้านทานต่อการแทรกซึมของวัสดุโดยเข็ม วัด การวัดแรงกดแบบนาโนรายงานว่ามีความแข็งสูงกว่าค่าของเพชรผลึกธรรมชาติถึง 50% เนื่องจากเข็มวัดจะทื่อในกรณีดังกล่าวหรืออาจแตกหัก ตัวเลขจริงของความแข็งที่เกินกว่าค่าของเพชรธรรมชาติจึงไม่มีความหมาย ตัวเลขเหล่านี้แสดงให้เห็นเพียงว่าส่วนที่แข็งของ วัสดุ ta-C ที่เหมาะสม จะทำลายเพชรธรรมชาติได้ ไม่ใช่ในทางกลับกัน อย่างไรก็ตาม จากมุมมองเชิงปฏิบัติแล้ว ไม่สำคัญว่าวัสดุ DLC จะพัฒนาความต้านทานได้มากเพียงใด แต่การใช้งานอาจแข็งกว่าเพชรธรรมชาติได้ วิธีหนึ่งในการทดสอบความแข็งของการเคลือบคือการใช้ลูกตุ้ม Persoz

ในการทดสอบความแข็งระดับจุลภาคของสารเคลือบ DLC (โดยไม่เติมโลหะ) เหล็กกล้าแบริ่ง 9310 ที่ชุบแข็งแบบปลอกได้รับการทดสอบโดยใช้เครื่องมือเจาะปลายเพชรที่จัดหาโดยFisher Scientific Internationalเครื่องมือนี้ใช้การเปรียบเทียบแรงที่ใช้กับความลึกของรอยบุ๋ม ซึ่งคล้ายกับ วิธีการวัดความแข็ง ตามมาตรา Rockwellการทดสอบความแข็งระดับจุลภาคของเหล็กที่ไม่ได้เคลือบถูกจำกัดไว้ที่ความลึกของรอยบุ๋มประมาณ 1.2 ไมครอน จากนั้นเหล็กกล้าแบริ่งเดียวกันนี้จะถูกเคลือบด้วยสารเคลือบ DLC ที่มีความหนา 2.0 ไมครอน จากนั้นจึงทำการทดสอบความแข็งระดับจุลภาคของเหล็กที่เคลือบ โดยจำกัดรอยบุ๋มของสารเคลือบให้เหลือความลึกประมาณ 0.15 ไมครอน หรือ 7.5 เปอร์เซ็นต์ของความหนาของสารเคลือบ การวัดซ้ำห้าครั้งบนเหล็กที่ไม่ได้เคลือบ และ 12 ครั้งบนเหล็กที่เคลือบ เพื่อเป็นข้อมูลอ้างอิง เหล็กที่ไม่ได้เคลือบผิวจะมีความแข็งตามมาตรฐาน Rockwell C 60 โดยเหล็กที่ไม่ได้ เคลือบผิวจะมีความแข็งระดับไมโครเฉลี่ยที่วัดได้คือ 7,133 นิวตัน/มม. 2 และเหล็กที่เคลือบผิวจะมีความแข็งระดับไมโครที่ 9,571 นิวตัน/มม. 2ซึ่งแสดงให้เห็นว่าเหล็กที่เคลือบผิวจะมีความแข็งระดับไมโครที่แข็งกว่ามาตรฐาน Rockwell C 60 ประมาณ 34 เปอร์เซ็นต์ การวัดการเสียรูปถาวรหรือรอยบุ๋มถาวรที่เกิดจากไมโครอินเดนเตอร์นั้นบ่งชี้ว่าเหล็กมีความยืดหยุ่น 35 เปอร์เซ็นต์ และ DLC มีความยืดหยุ่น 86 เปอร์เซ็นต์ การวัดการเสียรูปถาวรนั้นใช้สำหรับการวัดความแข็งแบบวิกเกอร์ส ตามที่คาดไว้ รอยบุ๋มที่ "ปิด" มากขึ้นสำหรับเหล็กที่เคลือบผิวนั้นบ่งชี้ว่าเหล็กที่มีความแข็งแบบวิกเกอร์สนั้นมีค่าความแข็งสูงกว่ามาก โดยมีอัตราส่วนมากกว่าเหล็กที่ไม่ได้เคลือบผิวถึงสองเท่า ดังนั้นการคำนวณความแข็งแบบวิกเกอร์สจึงไม่มีความหมาย[19]

การยึดติดของสารเคลือบ DLC

ความเครียดภายในแบบเดียวกันที่ส่งผลดีต่อความแข็งของวัสดุ DLC ทำให้ยากต่อการยึดติดสารเคลือบดังกล่าวกับพื้นผิวที่จะปกป้อง ความเครียดภายในจะพยายาม "ดึง" สารเคลือบ DLC ออกจากตัวอย่างด้านล่าง ข้อเสียที่ท้าทายของความแข็งขั้นสุดขีดนี้ได้รับคำตอบในหลายวิธี ขึ้นอยู่กับ "ศิลปะ" เฉพาะของกระบวนการผลิต วิธีที่ง่ายที่สุดคือการใช้ประโยชน์จากพันธะเคมีตามธรรมชาติที่เกิดขึ้นในกรณีที่ไอออนคาร์บอนตกกระทบทำให้วัสดุที่จะกระแทกกลายเป็นอะตอมคาร์บอนที่มีพันธะ sp3 และพลังงานที่กระทบซึ่งบีบอัดปริมาณคาร์บอนให้ควบแน่นเร็วขึ้น ในกรณีนี้ ไอออนคาร์บอนตัวแรกจะกระทบกับพื้นผิวของสิ่งของที่จะเคลือบ หากสิ่งของนั้นทำจาก สารที่ก่อตัวเป็น คาร์ไบด์เช่นTiหรือFeในเหล็กชั้นคาร์ไบด์จะถูกสร้างขึ้นและต่อมาจะยึดติดกับ DLC ที่เติบโตอยู่ด้านบน วิธีการยึดติดอื่นๆ ได้แก่ กลยุทธ์ต่างๆ เช่น การสะสมชั้นกลางที่มีระยะห่างของอะตอมที่ไล่ระดับจากระยะห่างของพื้นผิวไปจนถึงระยะห่างของคาร์บอนที่มีพันธะsp3ในปี พ.ศ. 2549 มีสูตรการเชื่อมติดเคลือบ DLC ที่ประสบความสำเร็จเป็นจำนวนมากเท่ากับแหล่งที่มาของ DLC

ไตรโบโลยี

สารเคลือบ DLC มักใช้เพื่อป้องกันการสึกหรอเนื่องจากมี คุณสมบัติ ทางไตรโบโลยีที่ยอดเยี่ยม DLC มีความทนทานต่อการสึกหรอจากการเสียดสีและการยึดติดสูง จึงเหมาะสำหรับใช้ในงานที่ต้องรับแรงกดสัมผัสที่รุนแรง ทั้งในการกลิ้งและการเลื่อน DLC มักใช้เพื่อป้องกันการสึกหรอของใบมีดโกนและเครื่องมือตัดโลหะ รวมถึงเม็ดมีดกลึงและเครื่องตัดกัด DLC ใช้ในตลับลูกปืนลูกเบี้ยวตัวตามลูกเบี้ยว และเพลาในอุตสาหกรรมยานยนต์ สารเคลือบช่วยลดการสึกหรอในช่วง "การรันอิน" ซึ่งชิ้นส่วนระบบส่งกำลังอาจขาดการ หล่อลื่น

DLC อาจใช้ในสารเคลือบกิ้งก่าที่ออกแบบมาเพื่อป้องกันการสึกหรอในระหว่างการปล่อยยานอวกาศ วงโคจร และกลับเข้าสู่ชั้นบรรยากาศของยานอวกาศที่ปล่อยลงสู่พื้นดิน DLC ให้ความลื่นไหลในบรรยากาศโดยรอบและในสุญญากาศ ซึ่งแตกต่างจากกราไฟต์ซึ่งต้องใช้ความชื้นจึงจะลื่นไหลได้ อนุภาคคาร์บอนแยกตัวที่ฝังอยู่ในสารเคลือบคาร์บอนคล้ายเพชรเป็นการพัฒนาล่าสุด[20]ในด้านนี้ อัตราการสึกหรอของ DLC แบบอสัณฐานสามารถลดลงได้ถึง 60% โดยการฝังอนุภาคนาโน คาร์บอนแยกตัว ที่ฝังพร้อมกันกับการสะสม DLC อนุภาคแยกตัวถูกสร้างขึ้นในที่โดยใช้การดับพลาสม่าอย่างรวดเร็วด้วยพัลส์ฮีเลียม[21]

แม้ว่า DLC จะมีคุณสมบัติทางไตรโบโลยีที่ดี แต่ต้องใช้ด้วยความระมัดระวังกับโลหะเหล็ก หากใช้ DLC ในอุณหภูมิที่สูงขึ้น พื้นผิวหรือหน้าเคาน์เตอร์อาจเกิดปฏิกิริยาคาร์บูไรซ์ซึ่งอาจทำให้สูญเสียการใช้งานเนื่องจากความแข็งเปลี่ยนไป อุณหภูมิการใช้งานขั้นสุดท้ายของส่วนประกอบที่เคลือบควรอยู่ต่ำกว่าอุณหภูมิที่ใช้เคลือบ DLC ของ PVC

มีรายงานว่าการออกแบบอินเทอร์เฟซใหม่ระหว่างเวเฟอร์ซิลิกอนเคลือบ DLC กับโลหะจะช่วยเพิ่มความทนทานของเวเฟอร์ซิลิกอนเคลือบ DLC ต่อแรงกดสัมผัสที่สูงจากประมาณ 1.0 GPa เป็นมากกว่า 2.5 GPa [22]

ไฟฟ้า

หากวัสดุ DLC อยู่ใกล้กับta-C มากพอ บนกราฟอัตราส่วนพันธะและปริมาณไฮโดรเจน วัสดุนั้นก็สามารถเป็นฉนวนที่มีค่าความต้านทานไฟฟ้าสูงได้ สิ่งที่น่าสนใจกว่าคือ หากเตรียมในเวอร์ชัน "ปานกลาง" ของหินกรวด เช่นที่แสดงในรูปด้านบน ไฟฟ้าจะถูกส่งผ่านโดยกลไกการนำ ไฟฟ้าแบบกระโดด ในการนำไฟฟ้าประเภทนี้ อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่โดยการสร้างอุโมงค์กลควอนตัมระหว่างโพรงของวัสดุตัวนำที่แยกจากกันในฉนวน ผลลัพธ์ก็คือ กระบวนการดังกล่าวทำให้วัสดุมีลักษณะคล้ายกับเซมิคอนดักเตอร์จำเป็นต้องมีการศึกษาวิจัยคุณสมบัติทางไฟฟ้าเพิ่มเติมเพื่ออธิบายการนำไฟฟ้าดังกล่าวในta-Cเพื่อกำหนดค่าในทางปฏิบัติ อย่างไรก็ตาม คุณสมบัติทางไฟฟ้าของการแผ่รังสี ที่แตกต่างกัน ได้แสดงให้เห็นว่าเกิดขึ้นในระดับเฉพาะสำหรับta-Cค่าที่สูงดังกล่าวทำให้อิเล็กตรอนถูกปล่อยออกมาจาก อิเล็กโทรดที่เคลือบด้วย ta-Cเข้าไปในสุญญากาศหรือเข้าไปในของแข็งอื่นๆ โดยใช้แรงดันไฟฟ้าในระดับที่ไม่มากนัก สิ่งนี้สนับสนุนความก้าวหน้าที่สำคัญในเทคโนโลยีทางการแพทย์

แอปพลิเคชั่น

การใช้งาน DLC มักใช้ความสามารถของวัสดุในการลดการสึกหรอจากการขัดสี ส่วนประกอบของเครื่องมือ เช่นเอ็นมิลล์ดอกสว่านแม่พิมพ์และแม่พิมพ์มักใช้ DLC ในลักษณะนี้ DLC ยังใช้ในเครื่องยนต์ของมอเตอร์ไซค์ซูเปอร์สปอร์ตสมัยใหม่ รถแข่งฟอร์มูล่าวัน รถยนต์NASCARและเป็นสารเคลือบบนจานดิสก์และหัวอ่านฮาร์ดดิสก์เพื่อป้องกันการกระแทกของหัวโกนมีดโกนหลายใบที่ใช้สำหรับการโกนแบบเปียกแทบทั้งหมดมีสารเคลือบขอบด้วย DLC ที่ปราศจากไฮโดรเจนเพื่อลดแรงเสียดทาน ป้องกันการเสียดสีของผิวหนังที่บอบบาง นอกจากนี้ ผู้ผลิตอาวุธ/ช่างปืนบางรายยังใช้สารเคลือบนี้ด้วย แบบฟอร์มบางแบบได้รับการรับรองในสหภาพยุโรปสำหรับบริการอาหาร และมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในการดำเนินการความเร็วสูงที่เกี่ยวข้องกับการแปรรูปอาหารแปลกใหม่ เช่นมันฝรั่งทอด และในการนำทางการไหลของวัสดุในการบรรจุอาหารด้วยพลาสติกห่อ DLC เคลือบขอบคมของเครื่องมือสำหรับการขึ้นรูปพื้นผิวไม้และ อลูมิเนียมที่สัมผัสกับพื้นผิวได้ยากด้วยความเร็วสูงและแห้งเช่น บนแผงหน้าปัดรถยนต์ การเคลือบ DLC ถูกใช้กันอย่างแพร่หลายสำหรับแบตเตอรี่เก็บพลังงานแบบลิเธียมเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพการทำงานของแบตเตอรี่ DLC สามารถเพิ่มความสามารถในการกักเก็บพลังงานได้ 40% และอายุการใช้งานแบตเตอรี่ได้ 400% [23]

คุณสมบัติทางไฟฟ้าของ DLC ทำให้เป็นวัสดุที่น่าสนใจสำหรับการใช้งานทางการแพทย์ DLC ได้รับการพิสูจน์แล้วว่ามีความเข้ากันได้ทางชีวภาพที่ยอดเยี่ยมอีกด้วย สิ่งนี้ทำให้ขั้นตอนทางการแพทย์หลายอย่าง เช่นการแทรกแซงหลอดเลือดหัวใจผ่านผิวหนังโดยใช้การบำบัดด้วยรังสี ภายใน ได้รับประโยชน์จากคุณสมบัติทางไฟฟ้าเฉพาะตัวของ DLC ที่แรงดันไฟฟ้าต่ำและอุณหภูมิต่ำ อิเล็กโทรดที่เคลือบด้วย DLC สามารถปล่อยอิเล็กตรอนได้เพียงพอที่จะจัดเรียงในหลอดเอกซเรย์ขนาดเล็กแบบใช้แล้วทิ้งที่มีขนาดเล็กเท่ากับเมล็ดกัมมันตภาพรังสีที่ใส่เข้าไปในหลอดเลือดแดงหรือเนื้องอกในการบำบัดด้วยรังสีภายในแบบธรรมดาสามารถให้รังสีในปริมาณเท่ากันตามที่กำหนดจากด้านในและด้านนอกได้และยังมีโอกาสเพิ่มเติมในการเปิดและปิดรังสีตามรูปแบบที่กำหนดสำหรับรังสีเอกซ์ที่ใช้ DLC ได้รับการพิสูจน์แล้วว่าเป็นสารเคลือบที่ยอดเยี่ยมในการยืดอายุการใช้งานและลดภาวะแทรกซ้อนจากข้อสะโพกเทียมและข้อเข่าเทียม นอกจากนี้ยังสามารถนำไปใช้กับสเตนต์หลอดเลือดหัวใจได้สำเร็จ ช่วยลดการเกิดลิ่มเลือด ปั๊มหัวใจมนุษย์แบบฝังได้ถือเป็นการใช้งานทางการแพทย์ขั้นสูงสุด โดยมีการใช้สารเคลือบ DLC บนพื้นผิวที่สัมผัสกับเลือดของส่วนประกอบหลักของอุปกรณ์ เมื่อพิจารณาจากดัชนีความแข็ง สารเคลือบ DLC แบบอ่อนจะแสดงระดับความเข้ากันได้ทางชีวภาพที่ดีกว่าสารเคลือบ DLC แบบแข็ง[24]ซึ่งอาจช่วยในการเลือกสารเคลือบ DLC ที่เหมาะสมสำหรับการใช้งานทางชีวกลศาสตร์เฉพาะ เช่น การปลูกถ่ายแบบรับน้ำหนักหรือไม่รับน้ำหนัก

ประโยชน์ต่อสิ่งแวดล้อมของผลิตภัณฑ์ที่ทนทาน

การเพิ่มขึ้นของอายุการใช้งานของชิ้นงานที่เคลือบด้วย DLC ที่สึกหรอเนื่องจากการเสียดสีสามารถอธิบายได้ด้วยสูตรf = (g) μโดยที่gคือตัวเลขที่แสดงถึงประเภทของ DLC ประเภทของการเสียดสี วัสดุพื้นผิว และ μ คือความหนาของการเคลือบ DLC ในหน่วย μm [25]สำหรับการเสียดสี "แบบแรงกระแทกต่ำ" (ลูกสูบในกระบอกสูบ ใบพัดในปั๊มสำหรับของเหลวที่มีทราย เป็นต้น) g สำหรับ ta-Cบริสุทธิ์บนสแตนเลส 304 คือ 66 ซึ่งหมายความว่าความหนา 1 μm (นั่นคือประมาณ 5% ของความหนาของปลายผมของมนุษย์) จะเพิ่มอายุการใช้งานของชิ้นงานที่เคลือบจาก 1 สัปดาห์เป็นมากกว่า 1 ปี และความหนา 2 μm จะเพิ่มอายุการใช้งานจาก 1 สัปดาห์เป็น 85 ปี ค่าเหล่านี้เป็นค่าที่วัดได้ แม้ว่าในกรณีของการเคลือบ 2 μm อายุการใช้งานจะประมาณจากครั้งสุดท้ายที่ประเมินตัวอย่างจนกระทั่งอุปกรณ์ทดสอบสึกหรอ

มีข้อโต้แย้งด้านสิ่งแวดล้อมที่ว่าเศรษฐกิจที่ยั่งยืนควรสนับสนุนให้ผลิตภัณฑ์ได้รับการออกแบบให้มีความทนทาน กล่าวอีกนัยหนึ่งก็คือ ให้มีความทนทานตามแผน (ตรงข้ามกับการทำให้ล้าสมัยตามแผน) [26]

ในปัจจุบันมีผู้จำหน่ายวัสดุเคลือบ DLC ที่เป็นวัสดุภายนอกประมาณ 100 ราย ซึ่งเต็มไปด้วยกราไฟท์และไฮโดรเจนในปริมาณมาก จึงให้ค่า G ต่ำกว่า 66 บนพื้นผิวเดียวกันมาก

ดูเพิ่มเติม

อ้างอิง

  1. ^ Robertson, J. (2002). "คาร์บอนอสัณฐานคล้ายเพชร". Materials Science and Engineering: R: Reports . 37 (4–6): 129–281. CiteSeerX  10.1.1.620.3187 . doi :10.1016/S0927-796X(02)00005-0. S2CID  135487365.
  2. ^ "ดัชนีชื่อสารเคลือบคาร์บอน" เก็บถาวรจากแหล่งเดิมเมื่อวันที่ 20 มกราคม 2550
  3. ^ โดย Lijie Tan, Hongwei Sheng, Hongbo Lou, Benyuan Cheng (6 กุมภาพันธ์ 2020). "คาร์บอนอะมอร์ฟัสเตตระฮีดรัลแรงดันสูงที่สังเคราะห์โดยการบีบอัดคาร์บอนแก้วที่อุณหภูมิห้อง" J. Phys. Chem. C . 124 (9): 5489–5494. doi :10.1021/acs.jpcc.0c00247. S2CID  214245976.{{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  4. ^ Kržan, B.; et al. (2009). "พฤติกรรมไตรโบโลยีของการเคลือบ DLC ที่มีการเจือปนทังสเตนภายใต้การหล่อลื่นด้วยน้ำมัน" Tribology International . 42 (2): 229–235. doi :10.1016/j.triboint.2008.06.011.
  5. ^ Evtukh, AA; et al. (2001). "ฟิล์มคาร์บอนคล้ายเพชรที่ถูกเจือปนด้วยซิลิกอนเป็นสารเคลือบเพื่อปรับปรุงการแผ่รังสีสนามอิเล็กตรอน" IVMC 2001. เอกสารการประชุมวิชาการไมโครอิเล็กทรอนิกส์สุญญากาศนานาชาติครั้งที่ 14 (Cat. No.01TH8586) . หน้า 295 doi :10.1109/IVMC.2001.939770 ISBN 978-0-7803-7197-2. รหัส S2CID  135559981.
  6. ^ Louis Bergeron (17 ต.ค. 2554). "Amorphous Diamond, a New Super-Hard Form of Carbon Created Under Ultrahigh Pressure". Science Daily . สืบค้นเมื่อ 21 ต.ค. 2554.เพชรอสัณฐาน—ซึ่งไม่มีโครงสร้างผลึกเหมือนเพชรแต่ก็แข็งพอๆ กัน—ได้ถูกสร้างขึ้นโดยทีมนักวิจัยที่นำโดยมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ด ... ความแข็งที่สม่ำเสมอนี้ เมื่อรวมกับน้ำหนักเบาที่เป็นลักษณะเฉพาะของคาร์บอนทุกรูปแบบ—รวมทั้งเพชร—อาจเปิดโอกาสให้มีการประยุกต์ใช้ในด้านต่างๆ ที่น่าสนใจ เช่น เครื่องมือตัดและชิ้นส่วนที่ทนทานต่อการสึกหรอสำหรับการขนส่งทุกประเภท
  7. ^ Yu Lin, Li Zhang, Ho-kwang Mao, Paul Chow, Yuming Xiao, Maria Baldini, Jinfu Shu และ Wendy L. Mao. "เพชรอสัณฐาน: อัญรูปคาร์บอนที่มีความแข็งสูงและมีแรงดันสูง" Physical Review Letters, 2011
  8. ^ Lavars, Nick (2021-08-10). "กระจกที่แข็งแกร่งที่สุดในโลกสามารถขูดพื้นผิวของเพชรได้". New Atlas . เก็บถาวรจากแหล่งเดิมเมื่อ 2021-08-10 . สืบค้นเมื่อ 2021-08-10 .
  9. ^ "บรรลุการสึกหรอในระดับนาโนที่ต่ำมากของหนึ่งอะตอมต่อไมโครเมตร"
  10. ^ "การเคลือบ DLC - การเคลือบคาร์บอนเหมือนเพชร - Titankote - เทคโนโลยี HIPIMS" www.richterprecision.com .
  11. ^ Wasy, Abdul; Balakrishnan, G.; Lee, SH; Kim, JK; Kim, DG; Kim, TG; Song, JI (2014). "การบำบัดด้วยพลาสม่าอาร์กอนบนพื้นผิวโลหะและผลกระทบต่อคุณสมบัติการเคลือบคาร์บอนคล้ายเพชร (DLC)" Crystal Research and Technology . 49 : 55–62. doi :10.1002/crat.201300171. S2CID  98549070
  12. ^ Zia, Abdul Wasy; Wang, YI-QI; Lee, Seunghun (2015). "ผลของการกัดพลาสมาทางกายภาพและเคมีต่อความสามารถในการเปียกของพื้นผิวของพอลิเมอร์คอมโพสิตเสริมคาร์บอนไฟเบอร์สำหรับการใช้งานแผ่นกระดูก". ความก้าวหน้าในเทคโนโลยีพอลิเมอร์ . 34 : n/a. doi :10.1002/adv.21480.
  13. ^ Zia, Abdul Wasy; Lee, Seunghun; Kim, Jong-kuk; Kim, Tae Gyu; Song, Jung II (2014). "การประเมินผลกระทบของแรงดันไฟฟ้าอคติต่อคุณสมบัติการเคลือบคาร์บอนคล้ายเพชรที่สะสมบนทังสเตนคาร์ไบด์โคบอลต์" Surface and Interface Analysis . 46 (3): 152–156. doi :10.1002/sia.5400. S2CID  94457995
  14. ^ Wasy, A.; Balakrishnan, G.; Lee, S.; Kim, J.-K.; Kim, TG; Song, JI (2015). "Thickness dependent properties of diamond-like carbon coatings by filtered cathodic vacuum arc deposition". Surface Engineering . 31 (2): 85–89. doi :10.1179/1743294414Y.0000000254. S2CID  137302298.
  15. ^ ผลของความหนาของการเคลือบคาร์บอนเหมือนเพชรบนพื้นผิวสแตนเลสโดย Abdul Wasy Zia และคณะ
  16. ^ [1] [ ลิงก์ตายถาวร ]
  17. ^ ZIA, Abdul Wasy; Zhou, Zhifeng; Po-wan, Shum.; Lawrence Li, Kwak Yan (24 มกราคม 2017). "ผลของการอบชุบด้วยความร้อนสองขั้นตอนต่อความแข็ง ความเหนียวแตกหัก และการสึกหรอของสารเคลือบคาร์บอนคล้ายเพชรที่มีความเอนเอียงต่างกัน" Surface and Coatings Technology . 320 : 118–125. doi :10.1016/j.surfcoat.2017.01.089.
  18. ^ "Pressemitteilungen". เก็บถาวรจากแหล่งเดิมเมื่อ 2007-05-28 . สืบค้นเมื่อ 2006-10-26 .
  19. ^ Roderique, John O., Anderson, Charles R., Kamo, Lloyd S. "Racing Applications and Validation of a Hard Carbon Thin Film Coating", Society of Automotive Engineers, Warrendale, Pennsylvania, Bi-Annual Motorsports Conference, Indianapolis, IN, ธันวาคม 2545, หน้า 6-7
  20. ^ Zia, Abdul Wasy; Zhou, Zhifeng; Li, Lawrence Kwok-Yan (2017). "การศึกษาการสึกหรอเบื้องต้นของอนุภาคคาร์บอนแยกที่ฝังสารเคลือบคาร์บอนคล้ายเพชร" Tribology International . 114 : 42–47. doi :10.1016/j.triboint.2017.04.008.
  21. ^ Zia, Abdul Wasy; Zhou, Zhifeng; Li, Lawrence Kwok-Yan (2017). "แนวทางใหม่ในการสร้างอนุภาคคาร์บอนแยกโดยการสปัตเตอร์: การศึกษาพารามิเตอร์โดยละเอียดและแนวคิดเกี่ยวกับอนุภาคคาร์บอนที่ฝังสารเคลือบคาร์บอน" Tribology International . 76 : 97–107. Bibcode :2017DRM....76...97Z. doi :10.1016/j.diamond.2017.04.014.
  22. ^ Usman, Muhammad; Zhou, Zhifeng; Zia, Abdul Wasy; Li, Kwok Yan (21 มีนาคม 2023). "เวเฟอร์ซิลิกอนเป็นตัวเลือกที่เหมาะสมสำหรับการจำแนกลักษณะทางไตรโบโลยีของสารเคลือบบางภายใต้แรงกดสัมผัสสูง" Wear . 524–525: 204839. doi :10.1016/j.wear.2023.204839. S2CID  257674099.
  23. ↑ เซีย, อับดุล วาซี; ฮุสเซน, ไซเอด อาซาด; ราซูล, ชาฮิด; แบ, โดวอน; Pitchaimuthu, Sudhagar (พฤศจิกายน 2023). "ความก้าวหน้าของการเคลือบคาร์บอนคล้ายเพชรสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียม" วารสารการจัดเก็บพลังงาน . 72 : 108803. ดอย : 10.1016/ j.est.2023.108803
  24. ^ Zia, Abdul Wasy; Anestopoulos, Ioannis; Panayiotidis, Mihalis I.; Birkett, Martin (2023-02-10). "สารเคลือบคาร์บอนคล้ายเพชรที่อ่อนนุ่มพร้อมความเข้ากันได้ทางชีวภาพที่เหนือกว่าสำหรับการใช้งานทางการแพทย์" Ceramics International . 49 (11): 17203–17211. doi : 10.1016/j.ceramint.2023.02.085 . ISSN  0272-8842. S2CID  256791554
  25. ^ CB Collins, F. Davanloo; et al. (1993). "ฟิล์มที่ไม่ใช่ผลึกที่มีเคมี พันธะ และคุณสมบัติของเพชร" Journal of Vacuum Science & Technology B: Microelectronics and Nanometer Structures . 11 (5): 1936. Bibcode :1993JVSTB..11.1936C. doi :10.1116/1.586525.
  26. ^ "สร้างมาเพื่อให้คงทน: ผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมจากความทนทานที่วางแผนไว้" GreenBiz
  • “การเคลือบคาร์บอนแบบเพชร” ที่ AZo Materials
  • “ต้นฉบับที่เราคัดเลือกมาซึ่งตีพิมพ์บนฟิล์ม Nonclear Diamond”: บรรณานุกรมของผลงานในช่วงแรกเกี่ยวกับ DLC
  • “ปลายแหลมเหมือนเพชรดีกว่าอันที่ดีที่สุด”: การประยุกต์ใช้ DLC ในระดับนาโนล่าสุด (1 มีนาคม 2553)
Retrieved from "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Diamond-like_carbon&oldid=1223251994"