类钻碳(DLC)涂层介绍与应用
表面处理真空镀膜技术泛指材料表面进行沉积并利用材料特性达到所要求之功能，近年要求性能不断的提升，因此透过各种涂层材料来加强工业上工具和零组件的耐用性和功能性促使市场 产生了浓厚的兴趣不断投入研究发展，如氮化物，氧化物，碳化物等材料，数年来已经有大量学术研究成功并将涂层应用在商业产品上，如类钻碳(Diamond-like Carbon， DLC)涂层应用于汽车部件阀门过滤器、凸轮轴以减少摩擦并提高性能，生医方面如人工髋关节透过表面处理提升硬度或生物相容性、降低感染风险等应用。
近来国际环保意识提升，国际大厂纷纷要求供应链符合绿色制程，因此表面处理镀膜技术，逐步从传统之电镀、离子氮化等技术，演进到较环保的真空镀膜技术，接下来将进一步介绍DLC 涂层材料及应用案例。
一、类钻碳(Diamond-like Carbon，DLC)涂层介绍
类钻碳(DLC)是一种非晶的材料，其材料性质类似于钻石，具有高硬度、耐磨、低摩擦系数、表面光滑等特性，透过不同制程调整可应用于不同产业上。
DLC涂层结构主要是由钻石结构的sp3键结碳原子和石墨结构的sp2键结碳原子混杂在一起形成的结构，可以根据有无含氢可分为含氢DLC涂层(a-C:H)和 不含氢DLC涂层(a-C)，或是不同的sp3与sp2键结的比例又分为不同的细类如图一所示。
图一、DLC涂层的三元相图[1]
根据文献研究指出掺杂碳涂层的效果，可以改善涂层残留应力、抗裂性或附着性方面等性能如图二，而DLC涂层可以透过多种方式实现，以PVD方式举例，碳元素可掺杂其他元素烧结成靶材进行沉积，并在沉积过程中可改变涂层中的掺杂含量，或是以金属靶材通入含碳气体进行沉积。
图二、掺杂元素对碳涂层性能的影响[2]
二、DLC涂层低摩擦特性应用于汽缸套
类钻碳（DLC）涂层的特性具有优异耐磨性和低摩擦性，可满足许多不同的应用。研究指出在汽缸套镀上DLC涂层与无涂层相比可有效提升性能，内文说明将汽缸套镀上3.5μm厚度并测试摩擦系数值进行比较如图3，在荷重50N下分别测试25 、50、75、100、150、250 和375 rpm 并测试2小时与4小时，可看出2小时与4小时摩擦系数比较没有显示出明显变化，但在平均摩擦系数值DLC 涂层与无涂 层相比低了19%。
图三、无涂层与DLC涂层之摩擦系数平均测量值[3]
后续进行引擎实际运转在不同转速纪录功率、扭矩、油耗如图四，在低速范围（1000 - 1400 rpm）可看出当使用DLC低摩擦涂层于汽缸套时油耗显著降低了2.5%，在引擎 测试运转后也可看出有DLC 涂层气缸套磨损量比无涂层来的少，由此可得知DLC涂层具有相当多的优异性，而未来汽车领域对DLC 涂层对耐磨、高性能汽车零件的需求也不断增长，在其他领域如生医，电子产品等都有相当大的商业应用，因此后续DLC涂层经济效益发展是让人相当期待的。
图四、无涂层和DLC涂层气缸套于引擎测试比较[3]
[1] LIU, Jiaqi, et al. Diamond-like carbon films for tribological modification of rubber. Nanotechnology Reviews, 2022, 11.1: 2839-2856.
[2] KRÜLLE, Tim, et al. Amorphous carbon coatings with different metal and nonmetal dopants: influence of cathode modification on Laser-Arc evaporation and film deposition. Coatings, 2022, 12.2: 188.
[3] REJOWSKI, Edney Deschauer, et al. Application of DLC coating in cylinder liners for friction reduction.SAE Technical Paper, 2012.