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ta-C,低温沉积金刚石涂层

什么是ta-C金刚石涂层 #

ta-C 金刚石涂层即四面体非晶碳(tetrahedral amorphous carbon)涂层 ,是类金刚石涂层(DLC)的一种,属于无氢 DLC 涂层。其显微硬度可达 3000 – 8500hv。

当ta-C显微硬度超过7500HV时,其各种材料物性已经非常接近天然金刚石。我们习惯称为金刚石涂层。有别于CVD的900℃高温高压沉积技术,纳狮离子源ta-C,可以在80℃沉积完美的金刚石涂层,高结合力且基本不受材料类型限制。

理想材料中,石墨为平面结构,100%的sp2;金刚石为立体结构,100%的sp3。而DLC为sp2和sp3的杂化物。通常说的DLC涂层,为黑灰色高sp2含量的碳膜,10-20%的含氢量。通常ta-C涂层,为sp3含量超过30%的碳膜。

纳狮金刚石涂层 #

纳狮金刚石涂层,为过虑弧技术制备的sp3含量超过80%的高硬DLC。该涂层,以通过百格测试、双85 48h测试,钢丝绒摩擦测试,腐蚀测试。可以广泛用于ITO玻璃、超导热玻璃等分金属材料改性。

ta-C膜具有高导热性,由于膜结构,个人偏向于1000W/m.k这个数值。但是依然大幅高于普通材料。

在膜厚低于20nm时,ta-C 涂层,即使在蓝关区域,依然具有高于90%的可见光透过性。受制于涂层制备工艺和时间成本限制,PVD法无法制备厚的金刚石涂层。而CVD工艺可以。

基材白玻璃
No.镀膜前      镀膜后
194%           91%
294%           91%
394%           92%
494%           91%
594%           91%

低温高能的沉积方式 #

金刚石膜的生产速率R,完全由C+离子通量决定。而低温高离子能量的沉积模式,需要产生大于几毫安每平方厘米的高电流密度的电源支持。

sp3键含量,在100ev的能量下,可以获得极大值,约85%。

sp3键含量,在150℃以上下降。

纳狮弯管过滤弧技术 #

弯管磁过滤真空阴极电弧离子镀装置,通过直管加弯管设计,可实现对等离子体中的杂质、大颗粒的高效去除,可沉积低表面粗糙度和更完美的膜材料。但是由于弯管过滤掉了一半以上的颗粒和离子,膜沉积速度明显降低。更好的过滤效果,意味着更低的沉积效率。

因此,纳狮更广泛的使用非过滤弧的ta-C,以实现涂层品质和产能的均衡。

纳狮可实现多级弯管过滤,从而获得高度可控的低生长缺陷金刚石薄膜。对于10-20nm的超薄涂层,更低的缺陷率才能保证膜的产品良率。

ta-C的多层复合结构 #

纳狮ta-C通常为复合膜结构,有Cr、Ti等金属打底层,增加与基材结合力,ta-C:X过渡层,sp3/sp2低比例层,及sp3/sp2高比例层组成。

随着sp3含量增加,膜材料密度和压应力线性增大,需要多层结构来克服超硬膜的高应力。如果需要做超厚的ta-C膜,则需要做ta-C:Xta-C的叠层设计。

ta-C和其它DLC涂层一样,具备高定制性。

关于ta-C超薄膜的一些测量 #

需要说明的是,目前sp3的含量为相对测试法,如拉曼测试。我们并不能很精准的测出sp3的绝对含量。

由于膜厚低于1微米,我们也不能精准的测量出ta-C金刚石膜的硬度。我们通常是根据sp3的比例推测出膜的硬度。而对于普通ta-C厚膜,我们可以直观测量出膜的显微硬度。

附着力测试 #

材料膜厚(nm)临界负载(N)
玻璃2030
树脂2025
高速钢20075

其它测试 #

  • 5%盐雾试验:120h
  • 双85测试:48h
  • 1KG 橡皮擦测试:5000次
  • 可见光透光性测试:90%以上
  • 细胞毒性试验:遵照ISO10993-5和GB/T16886.5标准要求,采用四甲基偶氮唑盐微量酶反应比色法(MTT法):细胞毒性为0级,其细胞毒性略低于纯钛。
  • 溶血试验:依照YY/T0127.1-93标准,石墨粉组的溶血率为3.08%,为无溶血作用材料;

ta-C的应用 #

在大多数情况下,ta-C不同的厚度对应了不同的应用领域。而对于10微米以上的超厚膜,显微硬度高于3000HV,通常需要后处理。

ta-C金刚石涂层,具备以下优异的材料特性:高导热系数 化学性能稳定 高弹性模量 高硬耐磨性 耐溅射 极高的载流子迁移率(电子和空穴) 大禁带宽度 低逸出功 对紫外线敏感(吸收) 红外增透性 高电阻率 高介电常数 高击穿点 无氢 超薄 负电子亲和势(宽光学带隙) 声波传播快,保真度高 耐热冲击 抑菌性 自洁性

纳米级光学改性膜(高透性) #

  • ITO保护膜
  • 红外热成像装置窗口( 红外增透性)
  • X-射线窗口(高透、耐辐射)
  • CO2激光窗口
  • 高速拦截导弹头罩
  • 紫外线或放射线传感器

导热膜(高导热) #

  • 大功率和高频器件
  • 玻璃透明导热膜
  • 光电子器件散热膜
  • 高频、微波器件热沉
  • 温度传感器

声学 #

  • 扬声器声膜
  • 声表面波器件(saw)[高频带宽度(4GHZ-6GHZ)滤波器

耐磨装饰镀 #

超硬刀具涂层 #

  • PCB板微钻和锣刀
  • 12%高硅铝合金加工;铜、银、金等有色金属加工;
  • 木工刀、亚克力数控刀具
  • 剃须刀、薄膜切片刀
  • 高端厨具刀

超硬之润滑涂层(对人体无毒副作用、生物相容性、耐磨自润滑) #

  • 植入医疗器械:人工关节、义齿、牙托
  • 高频电刀

汽车零配件 #

各种金刚石薄膜的特性与天然金刚石特性的比较 #

纳狮金刚石膜,为10-800nm超薄超硬(大于4000HV为超硬涂层)。

  • 沉积温度:ta-C为80℃;CVD法通常为900℃以上;
  • 膜厚:ta-C法通常为纳米级,金刚石法理论上无厚度限制;在微钻等刀具上,通常为5-10微米;
  • 晶体结构:ta-C为四面体非晶态;CVD为单晶或多晶结构。
  • 硬度:CVD金刚石更硬,可以制造出无缺陷的金刚石材料
  • 应用领域:ta-C通常用于超薄保护或导热,由于沉积温度低,不受基材限制,分为超薄光学改性膜及超硬自润滑改性膜。而CVD由于高温及尺寸限制,通常用于硬质合金刀具,高端装饰品等;
特性天然金刚石CVDDLC (a:CH) ta-C
硬度 (Gpa)10080 – 10010 – 5080 – 100
密度 (g/cm3)3.53.2 – 3.41.7 – 2.23.0 – 3.2
摩擦系数0.10.1 (Polished)0.10.1
粗糙度3µm光学平滑光学平滑
附着力
沉积温度>600° C120° C – 325° C80° C – 150° C
结构结晶结晶非晶态非晶态
反应性气体YESYES可选
耐温性600° C+250° C – 350° C500° C+

纳狮P系列 DLC真空镀膜设备 #

纳狮的P系列包括三种沉积工艺,PeCVD、离子源和复合沉积工艺。

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