פחמן דמוי יהלום

מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית
כיפה מצופה DLC למטרות אופטיות וטריבולוגיות.

פחמן דמוי יהלום, מכונה DLC (ראשי תיבות של Diamond-Like Carbon) הוא סוג של חומרי פחמן אמורפי המציגים כמה מהמאפיינים האופייניים של יהלום. DLC מיושם בדרך כלל כציפויים לחומרים אחרים שיכולים להפיק תועלת מתכונות כאלה.[1]

DLC קיים בשבע צורות שונות[2] כולן מכילות כמויות משמעותיות של אטומי פחמן הכלאיים, sp3. הסיבה שישנם סוגים שונים היא שאפילו יהלום ניתן למצוא בשני סוגים גבישיים. הנפוץ יותר משתמש בסריג קובייה, בעוד שלפחות נפוץ, "lonsdaleite", יש סריג משושה. על ידי ערבוב של פולי-טיפוסים אלה בקנה מידה ננו, ניתן ליצור ציפוי DLC שבאותו הזמן הם אמורפיים, גמישים, ועם זאת עם ליכוד יהלום sp3 בלבד". הקשה, החזק והחלקלק ביותר הוא פחמן אמורפי טטרהדרלי (ta-C).[3] Ta-C יכול להיחשב לצורה ה"טהורה" של DLC, מכיוון שהוא מורכב כמעט כולו מאטומי פחמן קשורים sp3. חומרי מילוי כגון מימן, פחמן-גרפיטי sp2 ומתכות משמשים ב-6 התצורות האחרות כדי להפחית את הוצאות הייצור או להקנות תכונות רצויות אחרות.[4][5]

ניתן ליישם את הצורות השונות של DLC כמעט על כל חומר התואם לסביבת ואקום.

היסטוריה[עריכת קוד מקור | עריכה]

בשנת 2006, השוק של ציפוי DLC במיקור חוץ נאמד בכ-30,000,000 אירו באיחוד האירופי.

בשנת 2011, חוקרים מאוניברסיטת סטנפורד הכריזו על יהלום אמורפי קשה במיוחד בתנאי לחץ אולטרה-גבוה. היהלום חסר את המבנה הגבישי של היהלום אך הוא בעל משקל קל המאפיין פחמן.[6][7]

בשנת 2021, חוקרים סיניים הכריזו על AM-III, צורה סופר קשה, מבוססת פולרן, של פחמן אמורפי. זהו גם מוליך למחצה עם טווח פס של 1.5 עד 2.2 eV. החומר הדגים קשיות של 113 GPa במבחן קשיות של Vickers לעומת שיעור של יהלומים בסביבות 70 עד 100 GPa. זה היה מספיק קשה לגרד את פני השטח של יהלום.[8]

הבחנה מיהלום טבעי וסינתטי[עריכת קוד מקור | עריכה]

יהלום המופיע באופן טבעי נמצא כמעט תמיד בצורה הגבישית עם כיוון מעוקב בלבד של אטומי פחמן קשורים sp3. לפעמים יש פגמי סריג או תכלילים של אטומים של יסודות אחרים שנותנים צבע לאֶבן, אבל סידור הסריג של הפחמנים נשאר מעוקב והקשר הוא sp3 בלבד. האנרגיה הפנימית של הפוליטייפ המעוקב מעט נמוכה מזו של הצורה המשושה וקצבי הצמיחה מחומר מותך בשיטות ייצור יהלומים סינתטיים טבעיים ותפזורת הם איטיים מספיק כדי שמבנה הסריג יספיק לצמוח בצורה הנמוכה ביותר באנרגיה (קובית). זה אפשרי לחיבור sp3 של אטומי פחמן. לעומת זאת, DLC מיוצר בדרך כלל על ידי תהליכים שבהם פחמנים מקדימים באנרגיה גבוהה (כגון בפלזמות, בתצהיר קשת קתודי מסונן, בתצהיר ספוטר ובתצהיר קרן יונים) מתקררים או מכבים במהירות על משטחים קרים יחסית. באותם מקרים ניתן לערבב באופן אקראי סריגים מעוקבים ומשושים, שכבה אחר שכבה אטומית, מכיוון שאין זמן פנוי לאחת מהגאומטריות הגבישיות לצמוח על חשבון השנייה לפני שהאטומים "יקפאו" במקומם בחומר. ציפוי DLC אמורפי יכול לגרום לחומרים שאין להם סדר גבישי ארוך טווח. ללא סדר טווח ארוך אין מטוסי שבר שבירים, ולכן ציפויים כאלה הם גמישים ותואמים לצורה הבסיסית המצופה, תוך שהם עדיין קשים כמו יהלום. למעשה מאפיין זה נוצל כדי לחקור שחיקה או בלאי אטום אחר אטום בקנה מידה ננומטרי ב-DLC.[9]

הפקה[עריכת קוד מקור | עריכה]

תמונת SEM של העתק מצופה זהב של ציפוי ta-C "דמוי יהלום". יסודות מבניים אינם גבישים אלא הם גושים של אטומי פחמן קשורים sp3. הגרגרים כל כך קטנים עד שהמשטח נראה חלק במראה לעין.

ישנן מספר שיטות לייצור DLC, המסתמכות על הצפיפות הנמוכה יותר של sp2 מאשר sp3 פחמן. אז היישום של לחץ, השפעה, קטליזה, או שילוב כלשהו של אלה בקנה מידה אטומי יכול לאלץ אטומי פחמן קשורים sp2 קרוב יותר זה לזה לקשרי sp3.[3] זה חייב להיעשות בצורה מספיק נמרצת כדי שהאטומים לא יוכלו פשוט להתפרק ולהיפרדות האופייניות לקשרי sp2. בדרך כלל טכניקות משלבות דחיסה כזו עם דחיפה של המקבץ החדש של פחמן קשור sp3 עמוק יותר לתוך הציפוי, כך שאין מקום להתרחבות חזרה להפרדות הדרושות לקשירת sp2 ; או שהאשכול החדש נקבר על ידי הגעת פחמן חדש המיועד למחזור ההשפעות הבא. סביר לראות את התהליך כ"ברד" של קליעים המייצרים גרסאות מקומיות, מהירות יותר, ננומטריות של השילובים הקלאסיים של חום ולחץ המייצרים יהלום טבעי וסינתטי. מכיוון שהם מתרחשים באופן עצמאי במקומות רבים על פני השטח של סרט או ציפוי צומחים, הם נוטים לייצר אנלוגי של רחוב מרוצף אבן כאשר המרוצפים הם גושים או מקבצים של פחמן קשור sp3. בהתאם ל"מתכון" המסוים שבו נעשה שימוש, ישנם מחזורים של שקיעת פחמן והשפעה או פרופורציות מתמשכות של פחמן חדש המגיע וקליעים המעבירים את ההשפעות הדרושות לאלץ את היווצרותם של קשרי sp3. כתוצאה מכך, ל-ta-C עשוי להיות מבנה של רחוב מרוצף אבן, או שהגושים עשויים "להימס" כדי ליצור משהו יותר כמו ספוג או שהחלוקים עשויים להיות כל כך קטנים עד שהם כמעט בלתי נראים להדמיה. מורפולוגיה "בינונית" קלאסית ל-ta-C מוצגת באיור.

תכונות[עריכת קוד מקור | עריכה]

כפי שמשתמע מהשם, פחמן דמוי יהלום (DLC), ערכם של ציפויים כאלה נובע מהיכולת שלהם לספק חלק מהמאפיינים של יהלום למשטחים של כמעט כל חומר. התכונות הרצויות העיקריות הן קשיות, עמידות בפני שחיקה וחלקלקות (מקדם חיכוך סרט DLC כנגד פלדה מלוטשת נע בין 0.05 ל-0.20[10]). מאפייני DLC תלויים מאוד בפרמטרים של עיבוד פלזמה[11][12] כמו השפעת מתח הטיה,[13] עובי ציפוי DLC,[14][15] עובי בין שכבות,[16] וכו'. יתר על כן, הטיפול בחום גם מתנה תכונות ציפוי כגון קשיות, קשיחות וקצב בלאי.[17]

קשיות[עריכת קוד מקור | עריכה]

בתוך ה"אבני ריצוף", גושים, אשכולות או "ספוגים" (הנפחים שבהם ההתקשרות המקומית היא sp3) זוויות הקשר עשויות להיות מעוותות מאלו שנמצאות בסריגים מעוקבים או משוושים טהורים בגלל ערבוב בין השניים. התוצאה היא מתח פנימי (דחיסה) שעלול להראות כמוסיף לקשיות הנמדדת עבור דגימה של DLC. קשיות נמדדת לעיתים קרובות על ידי שיטות ננו-אינדנטציה שבהן חרט מחודד דק של יהלום טבעי נדחף אל פני השטח של דגימה. אם הדגימה כל כך דקה שיש רק שכבה אחת של גושים, אז החרט עשוי להיכנס לשכבת ה-DLC בין אבני המרוצף הקשות ולדחוף אותן זו מזו מבלי לחוש את הקשיות של הנפחים המחוברים sp3. המדידות יהיו נמוכות. לעומת זאת, אם חרט החיטוט נכנס לסרט עבה מספיק כדי שיהיו לו כמה שכבות של גושים כך שלא ניתן לפזר אותו לרוחב, או אם הוא נכנס על גבי אבן מרצפת בשכבה אחת, אז הוא ימדוד לא רק את הקשיות האמיתית של היהלום. הדבקה, אך קשיות לכאורה גדולה עוד יותר מכיוון שלחץ הלחיצה הפנימי באותם גושים יספק עמידות נוספת לחדירת החומר על ידי החרט. מדידות ננו-אינדנטציה דיווחו על קשיות של עד 50% יותר מהערכים של יהלום גבישי טבעי. מכיוון שהעט קהה במקרים כאלה או אפילו שבור, המספרים האמיתיים של קשיות העולים על זה של יהלום טבעי הם חסרי משמעות. הם רק מראים שהחלקים הקשים של חומר ta-C אופטימלי ישברו יהלום טבעי ולא היפוך. עם זאת, מנקודת מבט מעשית אין זה משנה כיצד מתפתחת העמידות של חומר DLC, זה יכול להיות קשה יותר מיהלום טבעי בשימוש. שיטה אחת לבדיקת קשיות הציפוי היא באמצעות מטוטלת פרסוז.

הדבקה של ציפוי DLC[עריכת קוד מקור | עריכה]

אותו מתח פנימי שמטיב עם הקשיות של חומרי DLC מקשה על הדבקת ציפויים כאלה למצעים שיש להגן עליהם. הלחצים הפנימיים מנסים "לפוצץ" את ציפוי ה-DLC מהדגימות הבסיסיות. החיסרון המאתגר הזה של קשיות קיצונית נענה בכמה דרכים, בהתאם ל"אמנות" המסוימת של תהליך הייצור. הפשוט ביותר הוא לנצל את הקשר הכימי הטבעי המתרחש במקרים שבהם יוני פחמן תקפים מספקים את החומר שייפגע לתוך אטומי פחמן קשורים sp3 ואת האנרגיות המשפיעות שדוחסות נפחי פחמן מתעבים קודם לכן. במקרה זה יוני הפחמן הראשונים ישפיעו על פני הפריט המיועד לציפוי. אם פריט זה עשוי מחומר היוצר קרביד כמו Ti או Fe בפלדה תיווצר שכבת קרביד שנקשרת מאוחר יותר ל-DLC שגדל עליו. שיטות אחרות של קשר כוללות אסטרטגיות כגון הפקדת שכבות ביניים בעלות מרווחים אטומיים המדרגים מאלה של המצע לאלו האופייניים לפחמן קשור sp3. בשנת 2006 היו מתכונים מוצלחים להדבקת ציפוי DLC כמו שהיו מקורות של DLC.

קישורים חיצוניים[עריכת קוד מקור | עריכה]

ויקישיתוף מדיה וקבצים בנושא פחמן דמוי יהלום בוויקישיתוף

הערות שוליים[עריכת קוד מקור | עריכה]

  1. ^ Robertson, J. (2002). "Diamond-like amorphous carbon". Materials Science and Engineering: R: Reports. 37 (4–6): 129–281. CiteSeerX 10.1.1.620.3187. doi:10.1016/S0927-796X(02)00005-0.
  2. ^ "Name Index of Carbon Coatings". אורכב מ-המקור ב-20 בינואר 2007. {{cite web}}: (עזרה)
  3. ^ 1 2 Lijie Tan, Hongwei Sheng, Hongbo Lou, Benyuan Cheng (6 בפברואר 2020). "High-Pressure Tetrahedral Amorphous Carbon Synthesized by Compressing Glassy Carbon at Room Temperature". J. Phys. Chem. C. 124 (9): 5489–5494. doi:10.1021/acs.jpcc.0c00247. {{cite journal}}: (עזרה)תחזוקה - ציטוט: multiple names: authors list (link)
  4. ^ Kržan, B.; et al. (2009). "Tribological behavior of tungsten-doped DLC coating under oil lubrication". Tribology International. 42 (2): 229–235. doi:10.1016/j.triboint.2008.06.011.
  5. ^ Evtukh, A.A.; et al. (2001). "Silicon doped diamond-like carbon films as a coating for improvement of electron field emission". IVMC 2001. Proceedings of the 14th International Vacuum Microelectronics Conference (Cat. No.01TH8586). p. 295. doi:10.1109/IVMC.2001.939770. ISBN 978-0-7803-7197-2.
  6. ^ Louis Bergeron (17 אוק' 2011). "Amorphous Diamond, a New Super-Hard Form of Carbon Created Under Ultrahigh Pressure". Science Daily. נבדק ב-2011-10-21. An amorphous diamond—one that lacks the crystalline structure of diamond, but is every bit as hard—has been created by a Stanford-led team of researchers. ... That uniform super-hardness, combined with the light weight that is characteristic of all forms of carbon—including diamond—could open up exciting areas of application, such as cutting tools and wear-resistant parts for all kinds of transportation. {{cite web}}: (עזרה)
  7. ^ Yu Lin, Li Zhang, Ho-kwang Mao, Paul Chow, Yuming Xiao, Maria Baldini, Jinfu Shu, and Wendy L. Mao. "Amorphous diamond: A high-pressure superhard carbon allotrope". Physical Review Letters, 2011
  8. ^ Lavars, Nick (2021-08-10). "World's strongest glass can scratch the surface of a diamond". New Atlas (באנגלית אמריקאית). ארכיון מ-2021-08-10. נבדק ב-2021-08-10.
  9. ^ "Achieving ultralow nanoscale wear of one atom per micrometer".
  10. ^ "DLC Coatings - Diamond-Like Carbon Coatings - Titankote - HIPIMS technology". www.richterprecision.com.
  11. ^ Wasy, Abdul; Balakrishnan, G.; Lee, S. H.; Kim, J. K.; Kim, D. G.; Kim, T. G.; Song, J. I. (2014). "Argon plasma treatment on metal substrates and effects on diamond-like carbon (DLC) coating properties". Crystal Research and Technology. 49: 55–62. doi:10.1002/crat.201300171.
  12. ^ Zia, Abdul Wasy; Wang, YI-QI; Lee, Seunghun (2015). "Effect of Physical and Chemical Plasma Etching on Surface Wettability of Carbon Fiber-Reinforced Polymer Composites for Bone Plate Applications". Advances in Polymer Technology. 34: n/a. doi:10.1002/adv.21480.
  13. ^ Zia, Abdul Wasy; Lee, Seunghun; Kim, Jong-kuk; Kim, Tae Gyu; Song, Jung II (2014). "Evaluation of bias voltage effect on diamond-like carbon coating properties deposited on tungsten carbide cobalt". Surface and Interface Analysis. 46 (3): 152–156. doi:10.1002/sia.5400.
  14. ^ Wasy, A.; Balakrishnan, G.; Lee, S.; Kim, J.-K.; Kim, T. G.; Song, J. I. (2015). "Thickness dependent properties of diamond-like carbon coatings by filtered cathodic vacuum arc deposition". Surface Engineering. 31 (2): 85–89. doi:10.1179/1743294414Y.0000000254.
  15. ^ Effect of Diamond like Carbon Coating Thickness on Stainless Steel Substrate by Abdul Wasy Zia et al,
  16. ^ [1](הקישור אינו פעיל, July 2019)
  17. ^ ZIA, Abdul Wasy; Zhou, Zhifeng; Po-wan, Shum.; Lawrence Li, Kwak Yan (24 בינואר 2017). "The effect of two-step heat treatment on hardness, fracture toughness, and wear of different biased diamond-like carbon coatings". Surface and Coatings Technology. 320: 118–125. doi:10.1016/j.surfcoat.2017.01.089. {{cite journal}}: (עזרה)
אוחזר מתוך "https://he.wikipedia.org/w/index.php?title=פחמן_דמוי_יהלום&oldid=38310324"