类金刚石薄膜的真空制备技术及其性能研究(2)
DLC膜在许多方面会略逊于金刚石薄膜，但作为有着良好应用前景的高新技术产品来说，在考虑性能的同时还要考虑到制备工艺复杂的程度、制备的成本以及由此产生的市场价格问题。与金刚石薄膜相比，DLC膜的物理气相制备过程中无需通入大量的氢，因而具有设备简单，制备成本低等优点，且DLC膜的沉积温度比较低，沉积面积大，膜面平滑，工艺相对成熟，因而在很多领域有着更加广泛的应用[2~4]。特别是在某些要求沉积温度低，膜面光滑度高的场合。如计算机磁盘、光盘等的保护膜，只有DLC膜才能胜任，在一定程度上类金刚石薄膜完全取代了金刚石薄膜。而在大多数金刚石薄膜适用的场合，DLC薄膜也有不错的应用效果。因此，DLC薄膜的开发研究吸引了许多科技工作者的关注[5~8]。
从基础研究方面来看，我国有很多高校和科研院所长期从事类金刚石薄膜的理论和基础应用研究，但是与国外相比，国内在类金刚石碳基薄膜的基础理论特色研究、核心技术突破和镀膜装备集成制造产业化方面还存在一定的差距，还需要付出更多努力来开展相关的理论和应用研究。
1.2 类金刚石薄膜的结构
石墨和金刚石属于碳元素的两种同素异形体，其主要差别在于内部碳原子在排列上的差异。首先，金刚石为面心立方结构，而石墨是层状结构；其次，金刚石中碳键是sp3杂化的，而石墨中的碳键是sp2杂化的。因此，两者的性质相差很大，如金刚石非常坚硬而且不导电，但石墨非常软且导电性良好。
类金刚石薄膜在结构上属于无定形碳，而无定形碳因为其形成条件不同，结构和性能会表现出很大的差异[9~11]。在特定实验条件下，无定型碳中的碳原子可能与另外1～4个碳原子以共价键的方式结合，形成一种由共价键在空间构成的三文交叉碳原子环网络的结构；每个原子还由范德华力与较远的原子发生作用，类金刚石薄膜就是由这种结构的碳原子和其它原子构成的薄膜[12]。
由于DLC是由一定比例的sp3杂化和sp2杂化的碳原子随机构成的空间网络结构，没有严格的定义，所以非晶态碳的性质范围比较大，其sp3杂化键含量可以在35%~85%范围内变化。
按照DLC膜中碳原子的键合方式及各自的比例，将由sp1、sp2和sp3三种杂化形式组成的非晶碳膜称为α-C膜，将含H的非晶碳膜称为α–C:H，α–C:H膜中sp3键含量一般小于50%，由于含氢类金刚石膜中存在一定数量的C-H键，所以其结构和性能具有多样性，当DLC膜内sp3键所占比例变大，膜层的硬度也会随着变大。将不含氢且sp3键含量高于70%的非晶碳膜称为四面体无定形Ta-C膜[13]。从中我们可以看出，DLC膜的结构和性能的关键影响因素是膜层内sp3和sp2键碳原子比例大小以及膜层内氢含量，这些因素造成DLC膜在性能上的巨大差异，特别是DLC膜在摩擦学上的应用，膜层的摩擦学性能受以上因素影响很大。所以在耐磨性薄膜中，sp3键含量越高，膜层就越坚硬致密[14]。
1.3 类金刚石薄膜的性能和应用
类金刚石薄膜作为新型功能性材料，同时具有金刚石和石墨的性能，具有优异的力学、热学、光学、电学、化学和生物性能等，受到研究者的普遍关注。
1.3.1 力学性能和应用
DLC薄膜具有硬度高、摩擦系数低、热导率高、热膨胀系数低、化学稳定性高等优点，因此非常适合制作刀具、模具的表面镀层材料[15]。将类金刚石薄膜沉积在磨具的表面，很大程度上能延长磨具的使用寿命，并且在长久暴露于空气中的刀具表面镀上一层类金刚石薄膜也可以防止金属腐蚀和划伤。广州有色金属研究院制备的涂有DLC膜的光盘模具，它可以做到打开闭合200万次以上（无涂层模具只有50万次左右）。
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