一、DLC 涂层概念
DLC 涂层、即类金刚石涂层，是一种结构介 刚石（sp³ 键）和石墨（sp² 键）之间的非晶态碳基薄膜，兼具金刚石的高硬度、耐磨性与石墨的低摩擦特性，是工业领域广泛应用的高性能硬质涂层。因其涂层的特殊性能，无法使用常规评估涂层方法进行评估。
DLC 涂层
参数 | 典型范围 | 说明 | 备注 |
|---|---|---|---|
显微硬度 (HV) | 1200 - 3000 | 取决于 sp³ 结构含量，ta-C 类通常较高 | 参考豪泽 (Höß) 与 Calico 的数据 |
纳米硬度 (GPa) | 15 - 30GPa | 基于纳米压痕测试 | 取决于沉积工艺 (PVD/PACVD) |
弹性模量 (GPa) | 100 - 210 | 与硬度呈正相关 | PVD 工艺常见 |
摩擦系数 (干燥, CoF) | 0.05 - 0.15 | 对钢或陶瓷基材 | Si-DLC 可能更低 (≈0.1) |
厚度 (µm) | 0.5 - 3 | 常规工业涂层 | ta-C 常为 1-2µm |
最大工作温度 (°C) | 150 - 400 | 高温条件下可能石墨化 | PVD DLC 常 < 300°C |
表面粗糙度 (Ra, nm) | < 10 | 通常非常平滑 | DLC 颗粒微小，不易肉眼观察 |
颜色 | 浅灰/黑色 | 与 sp³ 含量相关 | sp³ 越高，颜色越深 |
电导率 | 绝缘/半导体 | 根据氢含量变化 | a-C:H 通常绝缘 |
表 1：DLC 涂层核心性能参数表
二、DLC 涂层的测试方法汇总
参数 | 测试仪器 | 测试条件 |
|---|---|---|
显微硬度（HV） | 显微维氏硬度计 | 载荷：2 kgf (HV) |
纳米硬度（H） | 纳米硬度仪 | 探针：Berkovich 金刚石三棱锥探针 测试方法：连续刚度法 记录载荷-位移曲线，计算纳米硬度 (H) 和弹性模量 (E) |
结合力评估 | 纳米划痕仪 | 探针：金刚石球 (直径 2-5 mm)； 加载速率：6mN/s;终止载荷：100mN; 移动速度：30um/s； 确定临界载荷 (L_c1, L_c2)，评估涂层的抗划伤性能 |
摩擦系数 (干燥, CoF) | 摩擦磨损试验机 | 旋转摩擦 对磨副：Si₃N₄球（φ6.35mm，Ra≤0.05μm）； 载荷 ：5N； 速度： 0.2m/s； 滑动距离 ：2000m； 轨迹直径： 10mm； 评估摩擦系数、磨损率 |
涂层厚度 | 光学轮廓仪 | |
表面粗糙度 (Ra, nm) | AFM (原子力显微镜) | 评估涂层平滑度 (Ra < 10 nm) |
成分分析 | XRD物相分析 | 靶材：铜靶 扫描范围：20～80° 扫描速度：0.05°/s |
Raman 光谱仪 | 波长：532 nm 采集范围：600～2000cm-1 步长：2cm-1 采集时间：120s D 峰：1344cm-1G 峰位置：1570cm-1 ID/IG越小，G峰位越低，则薄膜结构中sp3杂化碳含量就越高 | |
XPS (X射线光电子能谱) | AlKa射线源：能量为1486.6eV、分辨率为0.48eV的单色化AlKa射线源 确定 sp³/sp² 比例，分析氢含量和掺杂元素 |
三、案例与数据
纳米划痕
图 1：载荷与声发射率 %；载荷与摩擦力图
出现声信号突增时的临界载荷Lc，即被认为是涂层与基底的结合力。a-C:H涂层与基底的结合力Lc为32N。
图 2：临界载荷 Lc处的划痕形貌图
拉曼光谱法
图 2：拉曼光谱 G 峰和 D 峰高斯拟合解谱
D 峰：1344cm-1G 峰位置：1570cm-1 ID/IG越小，G峰位越低，则薄膜结构中sp3杂化碳含量就越高。
纳米硬度
项目 | 参数 |
|---|---|
压头 | Berkovich 金刚石三棱锥探针 |
压入深度 | 2000nm；压入深度 10～20% 膜厚的硬度和弹性模量视为薄膜的有效模量 |
图 3：硬度-压入深度曲线
图 4：弹性模量-压入深度曲线
硬度为 31.5 GPa和弹性模量为283 GPa。