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DT导读 碳是自然界中分布非常广泛的一种元素，是组成有机物质的主要元素之一。碳质材料具有非常丰富的存在形式，如金刚石、石墨、富勒烯、碳纳米管、石墨烯等，并且不同形态的碳性能迥异，主要是由于碳形成了多种不同形式的杂化状态所致。但一种材料同时具备了金刚石的硬度和石墨的润滑性，更奇怪的是这种材料居然是非晶的，一起看看神奇的类金刚石薄膜！  碳质材料  图1 碳质材料结构 碳元素位于化学元素周期表第六位，根据原子轨道杂化的理论，碳原子外壳层电子会分为三种不同的能态，即sp1(直线型)、sp2(正三角或层片型)、sp3(正四面体)三种杂化形式如图2所示。
图2 碳原子的sp3、sp2和 sp1杂化结构 类金刚石碳 类金刚石碳(Diamond-like Carbon，简称DLC)是一种亚稳态的非晶态材料，其机械、电学、光学和摩擦学特性类似于金刚石，导热性是铜的2-3倍，且透明度高、化学稳定性好。具有极高的硬度、良好的抗磨损、优异的化学惰性、低介电常数、宽的光学带隙以及良好的生物相容性等特性。 事实上目前对DLC薄膜尚无明确的定义和统一的概念，以其宏观性质而论，国际上广为接受的标准为硬度达到天然金刚石硬度20%的绝缘无定形碳膜就称为DLC薄膜。在光学、电学、材料、机械、医学和航空航天等领域引起了科研工作者的广泛关注。
图3 类金刚石涂层 分类： 根据2005年德国工程师学会发布的“碳涂层”标准，DLC薄膜主要分为以下七类： a-C：非晶碳 ta-C：四面体非晶碳 a-C:Me（Me=W /Ti/Mo/Al等金属）：金属掺杂非晶碳 a-C:H：含氢非晶碳 ta-C:H：四面体形含氢非晶碳 a-C:H:Me（Me=W /Ti/Mo/Al等金属）：金属掺杂含氢非晶碳 a-C:H:X（X=Si/O/N/F/B等）：改性含氢非晶碳 DLC薄膜的结构模型 DLC薄膜处于热力学非平衡状态，其原子排布呈现出近程有序、远程无序的特点。近程有序主要表现为C-C原子之间的sp3和sp2杂化键的结构。 第一种模型是Beeman等人提出的，他们构造了三种具有不同sp3和sp2杂化碳原子含量的非晶碳薄膜模型。此模型具备两个典型特征：其一，除了sp2杂化结构模型外，所有模型对应于相对各向同性的无序混乱网络结构，而且没有内部悬键；其二，所有模型都做了弛豫处理，目的是使由偏离结晶态的键长、键角所引起的应变能降到最低。 第二种模型是完全抑制无规网络模型，由Phillips等人提出并完善。该模型的基本观点是，在非晶态随机共价网络当中，当原子的平均抑制数与原子的机械自由度相等时，该结构被完全抑制。增加配位数，则可以生成更多的共价键而降低体系能力，可以稳定固态网络结构，但键的拉伸和键角的畸形会造成更多的应变能。 制备方法 DLC 薄膜制备技术的研究开始于七十年代。1971年Aisenberg和Chabot成功地利用碳离子束沉积出DLC薄膜以来，离子束沉积法(Ion beam deposition)是开始用于制备 DLC膜。其后研究者发现了一系列生成DLC薄膜的办法。 Maissel等在《薄膜工艺手册》一书中指出，大多数能够在气相中沉积的薄膜材料也能在液相中通过电化学方法合成，反之亦然。给DLC薄膜的制备带来了新的思路，现在除了常见的化学气相沉积(CVD)和物理气相沉积(PVD)，也可以通过液相的电化学沉积来制备DLC膜。 一表看懂相关制备方法
（1）离子束沉积(IBD)，是指离子源生成的碳离子经质量分析磁场后单一价态的碳离子沉积在衬底上形成类金刚石薄膜，可获得大离子电流、排气能力强,可排除含氢的所有气体;
IBD示意图 （2）溅射沉积(RFS and MS)，是指利用射频振荡或磁场激发的氢离子轰击固体石墨靶，形成溅射碳原子(或离子)，从而在基材表面沉积类金刚石薄膜，这种方法的特点是沉积离子的能量范围宽。主要包括直流溅射、射频溅射和磁控溅射三种具体形式；
磁控溅射的示意图 （3）阴极弧沉积(FCVA)，是通过点弧装置引燃电弧，在电源的维持和磁场的推动下，电弧在靶面所经之处碳被蒸发并离化，同时在真空弧和基体之间增加磁过滤信道，通过调整磁场强度和偏压等参数，使得等离子体中的大颗粒中性成分及部分离子在信道中滤掉，从而获得由单一成分碳离子组成的沉积离子。操作方便、沉积速率较快,但易造成薄膜的污染； （4）脉冲激光沉积(PLD)，是指脉冲激光束通过聚焦透镜和石英窗口引入空积腔后，投射在旋转的石墨靶上，在高能量密度的激光作用下形成激光等离子体放电，并且产生的碳离子有1keV量级的能量，在基体上形成sp3键的四配位结构，最终形成类金刚石薄膜。沉积速率高，可以获得高sp3含量的无氢类金刚石薄膜，但耗能高、沉积面积小；
脉冲激光沉积原理示意图 （5）直接光化学气相沉积(DPCVD)，是利用光子促进气体的分解来沉积类金刚石薄膜。成膜时无高能粒子辐射等问题，基片温度可降的很低，因而在低温成膜方面比较有优势； （6）等离子体增强化学气相沉积(PECVD)，是指通过低气压等离子体放电使气体碳源分解生成各种含碳的中性或离子基团(如CH3、CH2、CH+、C2等)和原子(或离子)氢(H、H+)，并在基片负偏压的作用下使含碳基团轰击、吸附在基片表面，同时原子氢对结构中sp2碳成分产生刻蚀作用,从而形成由sp2和sp3碳混杂结构的氢化类金刚石薄膜。该方法提高了原料气体的分解率，降低了沉积温度，而且可以通过改变沉积参数来获得所需质量的薄膜； （7）电化学沉积，传统的电化学沉积大多是在离子性的水溶液或有导电介质的有机溶液中进行，溶液的导电能力很好，因而合成过程中只需施加很小的电压就能完成反应。但电化学沉积法制备DLC薄膜采用含碳的纯净有机溶液作为电解质，这些有机溶剂在一般条件下不会离解成离子，极化程度也很弱。 因此通常在两个电极之间施加很高的电压，即利用强电场使溶液中的C-H、C-O和O-H等键发生断裂生成碳碎片，从而使含碳的成分以极性基团或离子的形式到达基片，并且在基片所处的高电位下得以活化，进而生成含一定sp3成分的类金刚石薄膜。 液相电沉积类金刚石薄膜的碳源应符合如下条件: (1)具有较高的介电常数；(2)粘滞系数小；(3)分子中的CH3或CHn(4-n)+基团需与极性基团键合。
液相电沉积方法装置示意图 虽然液相电沉积技术在制备类金刚石薄膜及其相关材料方面具有很多优势，目前对电化学沉积DLC薄膜的研究报道也越来越多，但这一领域仍有很多方面需要进一步研究: (1)继续扩大成膜基底的选择范围,并深入研究不同基底材料对DLC薄膜性能的影响; (2)更为全面地研究不同电解液和沉积条件对薄膜性质的影响; (3)深入研究成膜机理,并建立具有普遍指导意义的理论模型; (4)广泛开展功能元素的掺杂,使其可以在微电子、生物传感器等高新领域得到应用。 电沉积方法的独特优势，决定了它巨大的发展潜力，已在近年来受到了人们的普遍重视，相信随着研究的不断深入，技术的不断发展和成熟，该领域的研究范围将会越来越广，研究成果也会越来越丰硕。 DLC薄膜的性能与应用 DLC薄膜将高硬度、低摩擦系数、耐磨损、抗划伤性、耐腐蚀性、抗粘连、化学稳定性等特性完美地结合，在力学、摩擦学、生物学、电学、光学、热学和声学等方面展示出优良特性，可广泛应用于机械、工模具、刀具、汽车、电子、光学、生物医学、航空航天、装饰外观保护，如手表外壳、首饰配件、手机外壳等领域。 类金刚石碳基薄膜材料的主要应用领域
机械性能与应用 DLC薄膜具有很高的硬度和弹性模量，不同的沉积方法制备的DLC薄膜硬度差异很大，尤其是用激光溅射或磁过滤阴极电弧法制备出的DLC薄膜，其硬度高达70-110GPa，与金刚石相当。因制备方法或者沉积的工艺参数以及成分不同，造成sp3/sp2比例以及氢含量不同，也会影响薄膜的力学性能。 金刚石及类金刚石的应用前景
DLC涂层刀具 电学性能及应用 DLC薄膜具有优异的电学性能，一般来说，含氢DLC薄膜电阻率比不含氢的DLC薄膜的高，可能是由于氢稳定了薄膜中sp3相的缘故。由于DLC中的sp2相和薄膜的电阻率有直接的关系，因此沉积工艺和离子束的能量都对DLC薄膜层电阻率有着很大的影响。 由于DLC薄膜的良好导热性能，它可以作为芯片中铜片散热器的绝缘电阻，能防止通常功率下因热膨胀系数不匹配而引起的铜片抓痕。此外，DLC在腐蚀介质中表现出极高的化学惰性，可以保护基底免遭外界腐蚀介质的溶蚀。纯的DLC薄膜表现出极好的耐蚀性，可以抵御各类酸碱甚至王水的侵蚀。另外，DLC薄膜具有较低的电子亲和势，是一种优异的冷阴极场发射材料，其中一个重要的应用领域就是场发射平面显示器件（FED）。 光学性能及应用 DLC薄膜具有良好的光学透明度，宽的光学带隙，在可见光区通常吸收率高，不透明，但是在红外区和微波频段则具有很高的透过率和较低的吸收率。由于DLC薄膜具有光谱宽透过率高、硬度高、摩擦系数小、化学稳定性好等优点，可以作为多种光学材料如硅、锗、玻璃、硫化锌等的增透/保护膜，起到抗磨损、耐腐蚀、抗潮解和抗氧化的作用。国外已相继将其应用在太阳能硅电池、高功率二氧化碳激光器窗口、潜望镜红外窗口、陆军用瞄准具红外窗口、飞机前视红外窗口、导弹头罩窗口和宇航探测器等方面。
二氧化碳激光器 生物医学特性及其应用 由于DLC薄膜在化学成分上（碳、氢元素）能够满足生物相容性的要求并具有高硬度、低摩擦系数、化学惰性等特性，同时具备优异的生物相容性和化学稳定性，越来越多的研究者将目光投向了DLC薄膜在生物医学领域的应用。 例如人工关节表面沉积的DLC薄膜，可以增强人工关节的耐磨、耐蚀性能、减少磨屑、增加生物相容性，提高使用性能。在作为人工心脏瓣膜的钛合金或不锈钢表面沉积一层DLC薄膜，不仅能满足生物相容性的要求，而且能够提高该部件的机械和耐腐蚀性能，大大提高这些部件的使用性能。此外，DLC薄膜对蛋白质的吸附率高，对血小板的吸附率低，可以在不影响主体特征的前提下，从多种途径促进材料表面生成具有活性的功能簇，从而减少血液凝固，使生物组织与植入的人工材料和谐相处，减轻患者的痛苦。 其他特性及其应用 除上述性能与应用外，DLC薄膜的润湿性能也受到了人们的关注。某些需要疏水的领域如电子元器件、窗口等都对DLC薄膜的润湿性能提出了新的要求，目前主要通过对其进行化学改性来改善DLC薄膜的疏水性能。利用DLC薄膜的耐腐蚀性和低温合成的特点!既可以将其镀在塑料饰件上，防止酸、碱及有机试剂的侵蚀，又可以在橡胶、树脂等有机材料上镀一层DLC薄膜。从而增加其柔软性，这在对有机材料有滑动性和密封性要求的领域用途很广。 DLC薄膜在汽车发动机领域的应用 为了降低发动机的燃油消耗，减轻发动机滑动部位的摩擦，（特别是活塞、活塞环与气缸之间以及凸轮与从动件之间的摩擦）非常重要。DLC薄膜材料作为一种高硬度减摩抗磨表面保护薄膜材料，具有优异的耐磨性能、低摩擦特性以及与发动机润滑油良好的协同复配特性，它在发动机滑动摩擦副上的应用是发动机节能降耗表面处理技术的一个重要研究方向。 DLC薄膜在发动机上的应用效果，在技术上DLC薄膜将极低的摩擦阻力和极高的硬度完美地结合在一起，该技术已被初步应用于汽车零部件的各个运动系统中，尤其是自20世纪90年代中期以来，作为汽车零部件保护性薄膜材料得到快速发展。
使用DLC涂层的发动机排气门
使用 “KYB NEWDLC”涂层的摩托车减震器
DLC涂层气门顶筒（a）及装配的天籁VQ系列发动机（b）
DLC薄膜气门挺柱装备的沃尔沃高性能T6发动机 DLC薄膜在模具领域的应用 物理气相沉积法是在真空中利用热蒸发或辉光放电、弧光放电等物理过程，在基体表面沉积一层所需要的固态薄膜或涂层的技术。物理气相沉积涂层技术现在已被广泛应用于欧美等地的模具制造业，如冲压拉伸、成形、钟表外壳模具及精密零配件等，涂层处理可以增加工件硬度、抗磨力和降低摩擦系数，从而延长工件寿命。目前主要的涂层包括TiN、TiCN、CrN等，每种涂层各有其不同的特性和用途。 应用化学气相沉积方法将TiC、TiN等涂覆于刃具、模具及各种耐磨结构零件表面上，获得几个微米厚的涂层。以上几种硬质涂层基本具备低的滑动摩擦系数、高的抗磨能力、高的抗接触疲劳能力及高的表面强度，保证表面具有足够的尺寸稳定性且基体之间有高的黏附强度。 在注塑模具上的应用
DLC镀覆的芯片封装模具 此外在在冲裁、翻边模、拉深模、压制硬质合金粉末模和光盘模上都有相关的应用
DLC薄膜涂覆的各种光盘模具 DLC薄膜在刀具领域的应用 在铝合金微量润滑切削或干切削领域的应用
荷兰Hauzer公司生产的DLC涂覆的各类钻头和刀具 在复合材料等其他材料切削领域的应用
星弧公司开发的涂以DLC涂层的石墨切削刀具和亚克力切削刀具 DLC薄膜在基础及通用机械行业的应用 在制冷压缩机领域的应用
固体润滑国家重点实验室开发的空调压缩机关键部件梯度多层DLC技术 在各种轴承领域的应用
日本精工株氏会社开发的造纸机械用DLC轴承 在机械密封领域的应用'
由Lederle Hermetic有限公司所进行的试验后对未涂层(右)和DLC涂层的轴套(左)进行比较,未涂层的轴套明显有更多磨损痕迹 DLC薄膜在其他行业的应用 在管道内表面腐蚀防护领域的应用
固体润滑国家重点实验室开发的管道内部超厚DLC涂层技术 在娱乐健身领域的应用
广州有色金属研究院开发的类金刚石+钛扬声器振膜 在医疗和生物器件领域的应用
镀覆DLC薄膜的高尔夫球头产品 在装饰镀膜领域的应用
罗杰杜彼四摆轮黑色DLC涂层钛合金腕表 主要内容来自调研，转载请注明出处。 《类金刚石薄膜制备工艺与特性研究 》 《类金刚石碳基薄膜材料》 《类金刚石碳基薄膜材料》丛书
附国内外从事DLC薄膜（涂层）研究的单位： 1豪泽涂层技术有限公司（IHI HAUZER TECHNO COATING B.V.） 相关业务和产品：DLC涂层、PVD等涂层设备和技术服务（等离子涂层）等 2 赛利涂层CemeCon公司 相关业务和产品：涂层开发（金刚石涂层）和生产用设备技术及外围设备、提供切削刀具的最先进的涂层解决方案、根据客户需求开发涂层等 3爱恩邦德涂层有限公司（Ionbond） 相关业务和产品：薄膜涂层服务和设备，PVD，PACVD，CVD，CVA和CVI技术提供最高性能的磨损保护、低摩擦和装饰性涂层等，主要服务于刀具、成型模和注塑模、机械部件、汽车、医疗涂层、装饰。 4米巴（Miba）精密零部件有限公司 相关业务和产品：提供多种涂层技术和服务，如DLC涂层等，产品组合包括烧结组件，发动机轴承，摩擦材料，电力电子元件和涂料，主要用于机动车辆，火车，船舶，飞机和发电厂。 5 Teer公司 相关业务和产品：DLC涂层技术和检测等服务、涂层沉积系统、涂装服务、磁控管、测验设备和服务等。 6欧瑞康巴尔泽斯Oerlikon Balzers 相关业务和产品：PVD涂层供应商，可提供700多种涂层系统，如DLC涂层，主要用于工具和部件，面向汽车、航天、能源和医疗等多个领域。 7 CCR Technology GmbH 相关业务和产品：COPRA等离子体源，薄膜涂层和表面处理，PECVD等设备，硅，碳，氧化物和氮化物等涂层，如DLC涂层。 8 Morgan Technical Ceramics（ Morgan Advanced Materials） 相关业务和产品：可提供DLC涂层、聚晶和非晶金刚石涂层，可用于航天航空、汽车、数码 产品、零部件等。 9PLATIT Advanced CoatingSystems 相关业务和产品：PVD技术、涂装设备、涂层服务（如DLC涂层、纳米复合PLATIT涂层等）。 10Techniques Surfaces梯爱司表面技术管理（上海）有限公司 相关业务和产品：提供盐浴硫氮碳共渗技术-、真空气相沉积技术，固体润滑技术等，可提供DLC涂层技术，用于汽车、液压机械等领域。 11纳峰集团NanoFilm 相关业务和产品：镀膜设备和服务，如PVD 连续真空镀膜生产线 (金属/ 陶瓷膜)、FCVA连续真空镀膜生产线、FCVA 真空锁镀膜系统，DLC涂层、氮化铬涂层 (CrN)、氮化钛涂层(TiN)等，主要针对汽车、电子消费、新能源、医疗器械 12美国野马真空系统 中国区代理——东莞爱加真空科技有限公司 相关业务和产品：刀具、模具、DLC等超硬涂层镀膜设备等 13新加坡超强镀膜私人有限公司 相关业务和产品：主要从事真空镀膜PVD设备和相关真空设备的制造和销售，同时提供应用于各种工业领域的硬质涂层服务。专业低温专利技术真空镀膜技术，PVD镀膜服务，PVD涂层，TiN涂层（氮化钛），TiCN涂层（氮碳化钛），TiAlN涂层（氮化铝钛）, CrN涂层（氮化铬）,DLC涂层（类金刚石）,TiAlCrN涂层（氮化铬铝钛）。 14科汇纳米技术有限公司（科汇工业机械有限公司） 相关业务和产品：PVD涂层技术、服务和设备，可提供DLC等多种涂层，主要应用在刀具、齿轮、零件、模具等。 15大连维钛克科技股份有限公司 相关业务和产品：高端装饰 PVD 镀膜设备、磁镜式过滤电弧、精密模具 PVD 镀膜设备、金属切削刀具 PVD 镀膜设备、汽车零部件 PVD 镀膜设备，可提供卓越的硬质膜涂层产品（TiN、DLC、TiCN、CrN等）。 16星弧涂层新材料科技(苏州)股份有限公司 相关业务和产品：金刚石涂层（DLC）和其它金属陶瓷类（CrN，TiN等）全系列硬质涂层、PVD等涂层设备、涂层服务. 17苏州鼎利涂层有限公司 相关业务和产品：TIALN、TIN、CrN、CP、DLC、HP涂层等。 18安徽纯源镀膜科技有限公司 相关业务和产品：镀膜技术（PVD、CVD、基片表面处理）、镀膜设备（P系列、I系列、N系列等）、镀膜服务，可提供DLC膜。 19安徽多晶涂层科技有限公司 相关业务和产品：多弧镀工具和模具涂层加工、类金刚石DLC涂层加工、耐磨耐蚀抗高温氧化涂层方案设计与加工；多弧离子镀、空心阴极、DLC和磁控溅射PVD涂层设备及HFCVD金刚石涂层设备的设计与制造；特殊要求的刀具与模具的开发与销售。 20苏州涂冠镀膜科技有限公司 相关业务和产品：PVD技术、CVD技术、电弧镀膜、溅射镀膜、DLC涂层、氮化钛涂层等多种涂层、涂层检测等。 21厦门微思纳涂层技术有限公司 相关业务和产品：纳米金刚石涂层（VSN BDIA）、微晶金刚石涂层（VSN GDIA）、光滑金刚石涂层（VSN SDIA）、复合金刚石涂层、多层金刚石涂层等先进工艺技术，公司拥有对PVD涂层、DLC涂层、CVD金刚石涂层的先进退膜技术。高性能金刚石涂层刀具、高品质涂层加工服务、金刚石涂层专用材料、模具、工具退涂加工、原辅材料供应等。 22沈阳市北宇真空设备有限公司 相关业务和产品：双离子束溅射镀膜机、磁控溅射镀膜机、离子镀膜机、真空炉、电弧纳米粉设备、太阳能集热管镀膜机、真空配件及耗材，可提供各种功能膜，如DLC（类金刚石）、TiC(碳化钛)、TiN(氮化钛)、ZrN(氮化铬)、TiAlN(氮化铝钛)、耐高温膜层和低摩擦系数膜等。 23苏州弧光纳米涂层有限公司 相关业务和产品：真空涂膜刀具 , 模具的研发 , 生产 , 销售及提供以上产品的售后服务。 2017国际碳材料大会暨产业展览会
2017国际碳材料大会暨产业展览会金刚石和碳基薄膜材料论坛将力邀上述知名单位重点参与，针对DLC涂层的研究和应用，已组织了三场报告，一起看一下吧。
王立平 王立平，博士，中科院宁波材料技术与工程研究所研究员，博士生导师，2002年于宁夏大学获学士学位；2007年获中国科学院兰州化学物理研究所博士学位；2008年10月-2009年4月于英国南安普顿大学皇家学会访问学者；2012年3月-9月于瑞典乌普萨拉大学高级研究学者。2010年-2015年于中科院兰州化学物理研究所历任研究员，课题组长，博士生导师，固体润滑国家重点实验室副主任。2015年9月进入中科院宁波材料技术与工程研究所。2013年获得国家自然科学基金“优秀青年基金项目”资助；2014年获得甘肃省“杰出青年基金项目”资助；2014年入选“中国科学院卓越青年科学家培养计划“项目和2014年“万人计划”青年拔尖人才…… 报告题目：碳基薄膜的强韧化设计及其工程应用
林松盛 林松盛，广东省新材料研究所研究室主任，博士，教授级高级工程师，真空镀膜研究室主任。从事气相沉积技术制备耐磨、减摩、防腐蚀和抗冲蚀等防护功能薄膜材料。主持及参加项目40多项；获得各级科技成果奖14项；国家专利25件（已授权11件）；发表论文100多篇，参编论著2本。 报告题目：耐磨减摩类金刚石薄膜制备与应用
孙德恩 孙德恩，重庆大学教授，博士，博导，2005年新加坡南洋理工大学博士，2014年归国，重庆大学百人计划学者。2005-14年，先后在南洋理工大学、爱普生工业集团、制造技术研究院等单位从事研究、生产及科研管理工作。研究领域包括纳米超硬膜，类金刚石碳膜及功能性装饰膜。 报告题目：硬质功能性碳基薄膜及其工程应用
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