项目简介
1.详情
碳基薄膜包括种类很多,例如石墨、金刚石、非晶碳、石墨烯、碳纳米管、碳化硅、碳化钛等,因此碳基材料具有非常丰富的物理化学特性,一直是科学家研究的重点。
碳基薄膜中C有四个价电子,可以有包含sp3、sp2和sp1三种杂化方式。在sp3键组态中,碳原子的4个价电子分别与相邻碳原子结合,形成一个正四面体取向的sp3杂化轨道,形成加强的σ键;在sp2组态中,4个价电子中的3个与相邻碳原子结合,形成平面三角形的sp2杂化轨道,也是σ键,第4个价电子则处在垂直于平面的轨道,形成较弱的π键;而在sp1组态中,只有两个价电子形成σ键,其它的两个则形成π键,根据sp3、sp2和sp1三种杂化方式的组合构成碳基材料的结构和物理特性。
当薄膜中以SP2杂化键为主时,呈现出石墨的特性,当薄膜中以SP3杂化键为主时,呈现了金刚石特性,通常称为金刚石或类金刚石膜(DLC)。
金刚石薄膜具有高硬度、低摩擦系数、导热、绝缘、吸收紫外、抗辐射损伤、耐腐蚀等诸多优良的物理化学特性一直是科学家研究的热点课题。
金刚石薄膜分为单晶、多晶和非晶态材料,单晶和多晶金刚石材料常常是在高温下形成,而DLC是在常温下形成的一种亚稳态的非晶态材料,可分为含氢类金刚石膜(hydrogenated amorphous carbon,简称a-C:H)和不含氢类(amorphous carbon,简称a-C)。一般a-C的sp3键含量高于a-C:H,所以也具有更高的硬度。当a-C中sp3键含量达70%以上,被称为非晶四面体碳(tetrahedral amorphous carbon,简称ta-C)。
本项目即为ta-c薄膜制备技术。
衡量金刚石薄膜质量的方法主要是看其SP3结构含量,含量越高,其性质越接近天然金刚石,如何得到高含量的 sp3 键是科学家们研究的重点。而目前国际上制备的金刚石薄膜以ta-c的SP3含量最高,可以达到 85%以上,因此其性质最接近天然金刚石。
本项目目前达到的水平为:SP3结构达到87%,薄膜硬度HV≥85Gpa,平整度0.2nm,摩擦系数≤0.08,紫外吸收97%以上。
国内外技术发展现状与趋势:本技术自从1991年由澳大利亚的D.R.Mckenzie和D.Muller研制成功,目前美国、英国、德国、新加坡、日本、韩国、澳大利亚、以色列、香港各国科学家都在努力将该技术应用于工业生产中。
2.产品性能优势
(1)该技术与市场现有的部分硬质镀膜技术的比较。
该膜层可沉积在金属、陶瓷和介电材料等基体上,膜厚可从几纳米到几微米,均匀度误差达±1%,是目前其它方法无法达到的。采用该方法镀制的膜层,其硬度和耐磨性能高于其它方法。表1为目前国内常用的一些耐磨损涂层的显微硬度和摩擦系数。
通过比较可以看出,ta-c薄膜的特性远远优于目前市场使用的各种涂层。
(2)该技术达到的主要技术指标。
①装置的技术水平达到国际先进,制备的薄膜均匀,重复性好、工艺稳定。
②制备的非晶碳薄膜SP3结构超过85%以上,摩擦系数小于0.1以下,并可达到沉积工作条件为常温(80ºC)以下。
③可以根据不同基体设计不同涂层组合的复合涂层结构,并具有良好的附着力、耐磨损、摩擦系数小的良好特性。
④镀膜的均匀性在1%。
3.市场情况
本课题为赵玉清教授团队经过近十年研究开发,形成了一些列成果包括:(1)离子镀膜装置;(2)离子源技术;(3)薄膜技术。在实验和设备工艺方面具有丰富的实践经验和很高的造诣,先后获的国家和陕西省重大科技专项资助。目前已实现ta-c的部分工业产品的产业化生产。
应用领域
(1)工业领域:本项目也被广州钢铁集团在全国调研2年后选中的转型转产的重点项目,目前已为广钢集团研制6台设备。
(2)医疗领域:义齿、牙托和人造关节涂层及医用不锈钢刀具。
(3)切削刀具:本项目不仅可以实现硬质合金金属切削刀具,而且已推广到高速钢刀具金属切削、木材和家具加工的高速钢和碳钢刀具。ta-c刀具已得到部分单位应用,如:陕西百纳科技,关中工具厂,东方机械厂五分厂,成都光华数控刀具厂,陕西重型汽车有限公司,标准集团股份有限公司,长岭机器有限公司,神龙汽车有限公司。
4.技术成熟度:中试
5.合作方式:面议
6.负责人:赵玉清