Timantin kaltainen hiili ( englanniksi Diamond-like carbon (DLC) , timantin kaltainen pinnoite (APP) ) on materiaali, joka on valmistettu amorfisesta hiilestä , jossa on pääasiassa tetraedrisiä hiilisidoksia. Siinä on joitain timantin ominaisuuksia . Käytetään kovien pinnoitteiden muodossa suojaamaan muiden materiaalien pintoja [1] .
DLC:tä on seitsemän eri muotoa [2] . Ne kaikki sisältävät merkittävän määrän sp 3 -hybridisoituneita hiiliatomeja . Syynä eri muotojen olemassaoloon on se, että jopa timantti löytyy kahdesta kristallipolytyypistä . Tavallisen timantin atomit on järjestetty kuutiomaiseen hilaan , ja sen harvinaisella muunnelmalla ( lonsdaleite ) on kuusikulmainen rakenne. Kun näitä kahta tyyppiä sekoitetaan eri tavoin nanomittakaavassa , syntyy timanttimainen amorfinen rakenne. Tästä materiaalista valmistetut ohuet kalvot ovat joustavia. Vahvin, kestävin, omistavakitkaa estävät ominaisuudet , on rakenne, joka tunnetaan tetraedrisenä amorfisena hiilenä (ta-C). Esimerkiksi vain 2 mikronia paksu ta-C- pinnoite lisää kovuutensa vuoksi tavallisen ruostumattoman teräksen kulutuskestävyyttä ja käyttöikä voi kasvaa viikosta 85 vuoteen. Tetraedristä muotoa voidaan pitää "puhtaana" timantin kaltaisena hiilenä, koska se koostuu vain sp 3 -sitoutuneista atomeista. Teollisesti valmistetut timanttimaiset pinnoitteet sisältävät epäpuhtauksia, jotka ilmenevät sekä kalvon valmistusmenetelmien puutteista että niitä on lisätty tarkoituksella antamaan niille tiettyjä ominaisuuksia. Erilaisia DLC:n muotoja voidaan soveltaa käytännössä mihin tahansa materiaaliin, joka on yhteensopiva tyhjiöpinnoituksen kanssa.
Luonnossa esiintyvä timantti on lähes aina kiteisessä muodossa ja sitoutuneiden hiiliatomien puhtaasti kuutio sp 3 -orientaatio. Joskus kidehilassa on puutteita tai muiden alkuaineiden atomien sisällyttämistä, jotka antavat kivelle väriä, mutta hilassa oleva hiilen järjestely jää kuutiomaiseksi sp 3 -sidoksella. Kuutiopolytyyppien sisäinen energia on hieman pienempi kuin kuusikulmaisten muotojen ja kiteen kasvunopeus sulasta materiaalista synteettisten timanttien luonnon- ja massatuotannossa on riittävän hidas, jotta hilarakenne kasvaa matalassa (kuutio)muotoisessa energiassa, mikä on mahdollista hiiliatomien sp3-sidoksille . Sitä vastoin DLC-pinnoitteet valmistetaan tyypillisesti prosesseilla, joissa hiiliatomit jäähdytetään nopeasti ja sammutetaan suhteellisen kylmillä pinnoilla suurella energialla. Tällaisia prosesseja voivat olla esimerkiksi plasmassa , suodatetussa katodikaaripinnoituksessa , sputteroinnissa ja ionisuihkupinnoituksessa .
Näissä tapauksissa kuutio- ja kuusikulmainen hila voidaan sekoittaa satunnaisesti atomikerros atomikerrokselta, koska toisella kidegeometrioista ei ole aikaa kasvaa toisen kustannuksella ennen kuin atomit jäätyvät paikoilleen materiaalissa. Amorfiset DLC:t voivat johtaa materiaaleihin, joilla ei ole pitkän kantaman kiteistä järjestystä. Ilman pitkän kantaman tilausta ei ole hauraita halkeamia. Siksi tällaiset pinnoitteet ovat joustavia ja pinnoitettuja perusmuotoon nähden, mutta samalla yhtä vahvoja kuin timantti. Itse asiassa tätä ominaisuutta on käytetty DLC:n kulumisen tutkimiseen atomi atomilta nanomittakaavassa. [3]
Seuraavat menetelmät timantin kaltaisen hiilen saamiseksi tunnetaan: [4]
Kuten nimestä voi päätellä, DLC:n arvo tulee sen kyvystä tuoda joitain timantin ominaisuuksia käytännössä minkä tahansa materiaalin pintaan. Tärkeimmät toivottavat ominaisuudet ovat kovuus, kulutuskestävyys ja sileys (APP-kalvon kitkakerroin kiillotettua terästä vastaan vaihtelee välillä 0,05 - 0,20 [5] ). Tämän pinnoitteen ominaisuudet riippuvat voimakkaasti pinnoitusmenetelmästä [6] [7] , pinnoitusparametreista (substraatin sähköinen siirtymäjännite [8] , DLC-pinnoitteen paksuus [9] [10] , alikerroksen paksuus jne.). Lisäksi lämpökäsittely muuttaa myös pinnoitteen ominaisuuksia, kuten kovuutta, sitkeyttä ja kulumisnopeutta. [yksitoista]
Atomien välisten sidosten tyypeillä on merkittävä vaikutus amorfisten hiiliohutkalvojen materiaaliominaisuuksiin. Jos sp 2 -tyyppiä on läsnä, kalvo on pehmeämpi, jos sp 3 -tyyppiä on läsnä, kalvo on jäykempi [12] . Myös epäpuhtauksien, pääasiassa vedyn, läsnäolo on merkittävää. Joissakin valmistusmenetelmissä käytetään vetyä tai metaania katalyyttinä, ja merkittävä prosenttiosuus vedystä voi jäädä materiaaliin. Ottaen huomioon, että pehmeät muovit ja polyeteeni on valmistettu hiilestä, joka on sidottu puhtaalla timantin kaltaisella sp3- sidoksella , mutta sisältää myös vedyn kemiallisen sidoksen, ei ole yllättävää, että DLC-kalvoihin jääneet vetyfraktiot heikentävät niiden ominaisuuksia paljon. samalla tavalla kuin sp 2 -hiilisidosjäännökset. Suurin kovuus on puhdas timantin kaltainen hiili ilman vetyä, jossa kaikki atomien väliset sidokset ovat sp 3 -tyyppisiä.
Samat sisäiset jännitykset, jotka tarjoavat timanttimaisten materiaalien kovuuden, pyrkivät repimään pinnoitteen pois suojatusta alustasta. Taistelu tätä vastaan suoritetaan eri tavoilla riippuen käytetyn sovellusmenetelmän ominaisuuksista. Yksinkertaisin on käyttää substraattimateriaaliin luonnollisia kemiallisia sidoksia, jotka muodostuvat, jos vahvojen karbidien muodostumisreaktio on mahdollista . Jos alustamateriaali ei muodosta niitä, se peitetään ohuella alikerroksella, joka on jotakin kovametallia muodostavaa metallia, kuten titaania tai rautaa . Muita tapoja varmistaa tarttuvuus ovat esimerkiksi kerrostetaan välikerroksia, joiden atomien väliset etäisyydet vaihtelevat substraatin ominaisuuksista DLC:n ominaisuuksiin.
Timantteja muistuttavia pinnoitteita käytetään usein estämään kulumista ja vähentämään kitkaa niiden erinomaisten tribologisten ominaisuuksien vuoksi. Ne kestävät erittäin hyvin hankaus- ja liimakulumista, minkä ansiosta niitä voidaan käyttää korkeissa kosketuspaineissa sekä rullattaessa että liukuessaan. APP-sovelluksia käytetään usein pidentämään partakoneen terien, työstötyökalujen, ensisijaisesti porien ja jyrsimien käyttöikää . Käytetään laakereissa , nokkamekanismeissa . Timanttimaiset pinnoitteet pidentävät vaihteiston toiminta-aikaa riittämättömän voitelun olosuhteissa. Huolimatta APP:iden erinomaisista tribologisista ominaisuuksista, niitä tulee käyttää varoen rautaseoksissa. Korotetuissa lämpötiloissa substraatti tai vasta-aine voi liuottaa hiiltä itseensä, mikä johtaa pinnoitteen toiminnallisuuden menettämiseen. Tämä ilmiö estää DLC-pinnoitettujen työkalujen käytön teräksen käsittelyssä.
Kun grafiittifaasin pitoisuus on alhainen timantin kaltaisessa pinnoitteessa tai jossa on suuri määrä vetysidoksia, tämä voi olla dielektrinen, jolla on korkea resistanssiarvo. Muissa tapauksissa materiaalilla voi olla tunneloivaa johtavuutta . Tämän tyyppisessä johtamisessa elektronit liikkuvat kvanttitunneloinnin avulla johtavan materiaalin tilojen välillä, joita ympäröi dielektrisyys. Tuloksena on prosessi, joka tekee materiaalista puolijohteen kaltaisen. Parhaillaan tehdään tutkimusta tämän vaikutuksen käytännön soveltamisen löytämiseksi.
APP:n käyttö yleensä lisää materiaalin kulumiskestävyyttä . Timantin kaltaista pinnoitetta käytetään usein työkalujen pinnoittamiseen (lukuun ottamatta niitä, jotka on tarkoitettu rautapohjaisten metalliseosten työstöön ), kuten päätyjyrsimiä , poraa , meistiä ja muotteja . Pinnoite lisää leikkuureunojen kovuutta ja kulutuskestävyyttä, estää lastujen tarttumisen työkalun pintaan ja vähentää kitkaa.
APP:ta käytetään myös huippuluokan urheilupyörien, Formula 1 -kilpa-autojen ja NASCAR - autojen moottoreissa sekä kiintolevylevyjen ja päiden pinnoitteena suojaamaan pään vikaantumiselta.
Melkein kaikissa märkäparranajoon käytetyissä moniteräisissä parranajokoneissa on timanttimainen hiilipinnoitettu reuna kitkaa vähentäen, mikä estää herkän ihon ärsytystä.
APP:lla on hyvä bioyhteensopivuus , mikä tekee siitä houkuttelevan materiaalin lääketieteellisiin sovelluksiin. Tällaisia pinnoitteita käytetään keinonivelten käyttöiän pidentämiseen, veritulpan muodostumisen vähentämiseen sepelvaltimon stentauksen aikana ja tekosydämen valmistukseen .
Syvän mustan värinsä sekä naarmuuntumisenkestävyyden ja ihmisen hien aggressiivisten vaikutusten ansiosta timantin kaltainen hiili on löytänyt käyttöä koristepinnoitteena koru- ja kelloteollisuudessa.