Politechnika Instytut Mechatroniki, Nanotechnologii i Technik Próżniowych Wytwarzanie, struktura i właściwości cienkich powłok na bazie węgla Andrzej Czyżniewski Dotacje na innowacje Dotacje na innowacje
Plan referatu 1. Struktura i rodzaje cienkich powłok na bazie węgla 2. Dlaczego powłoki na bazie węgla do narzędzi do obróbki drewna? 3. Metody wytwarzania cienkich powłok na bazie węgla 4. Powłoki DLC wytwarzane techniką katodowego odparowania łukowego 5. Powłoki X-DLC wytwarzane techniką reaktywnego rozpylania magnetronowego
Struktura cienkich powłok na bazie węgla W skali makro i mikroskopowej struktura amorficzna H H H Bredas J.L. and Street (1987) DLC Diamond-Like Carbon Powłoki diamentopodobnego węgla
Układ fazowy H H H Robertson J.,Diamond and Related Materials 3 (1994) 361-368.
Rodzaje i nazewnictwo powłok na bazie węgla a-c powłoki amorficznego węgla a-c:h powłoki amorficznego uwodornionego węgla ta-c powłoki tetraedrycznego węgla > 80% NCD powłoki nanokrystalicznego diamentu nanokrystaliczne wydzielenia diamentu w osnowie DLC PCD powłoki polikrystalicznego diamentu X-DLC - powłoki węglowe modyfikowane metalami lub niemetalami, X Ti, W, Cr, Si, B, Cu, Ag X-C, X/a-C, X-C:H, Me-C:H, XC/a-C, XC/a-C:H, a-c:h:x, ta-c:x, X-DLC, XC-DLC DLC powłoki diamentopodobnego węgla
Właściwości powłok na bazie węgla Struktura od krystalicznej (PCD) do amorficznej (a-c, a-c:h) Twardość - 3-100 GPa zależnie od udziału wiązań sp, sp 2 i sp 3 Naprężenia wewnętrzne - do 15 GPa Niska adhezja i odporność na pękanie Współczynnik tarcia suchego - 0,001-0,8 Zróżnicowana odporność na zużycie przez tarcie (wysoka gdy k vc < 10-7 mm 3 /Nm) Grafityzacja pod wpływem temperatury i naprężeń Wysoka przewodność cieplna Obojętność chemiczna
Metody wytwarzania powłok na bazie węgla CVD Chemical Vapour Deposition PACVD Plasma Activated Chemical Vapour Deposition Chemiczne osadzanie z fazy gazowej aktywowane plazmą PACVD C 2 H 2, CH 4, H 2 C, H, CH plazma Powłoka a-c:h, NCD, PCD DC PACVD aktywacja plazmą stałoprądową (a-c:h) RF PACVD - aktywacja plazmą wysokiej częstotliwości (a-c:h, NCD) MW PACVD aktywacja plazmą mikrofalową (a-c:h, NCD, PCD)
PVD - Physical Vapour Deposition Metody wytwarzania powłok na bazie węgla PAPVD Plasma Assisted Physical Vapour Deposition Fizyczne osadzanie z fazy gazowej w obecności plazmy CAPD - Cathodic Arc Plasma Deposition Katodowe odparowanie łukowe Technika łukowa Technika łukowo-próżniowa ARC, ARC-PVD, CAD, CVA, VA MS Magnetron sputtering (Reactive) Rozpylanie magnetronowe (reaktywne) Technika magnetronowa MS, UBM, MIP IBD Ion Beam Deposition Osadzanie powłok z wiązki jonów ARC MS PLD Pulsed Laser Deposition Osadzanie powłok z wykorzystaniem ablacji laserowej
Dlaczego powłoki na bazie węgla do narzędzi do obróbki drewna? ta-c (DLC) Wysoka twardość - 40-60GPa Wysokie naprężenia Niska odporność na pękanie Grafityzacja? Obniżenie oporów skrawania? X-DLC (W-DLC) Średnia twardość ~ 20GPa Budowa nanokompozytowa Wysoka odporność na pękanie Grafityzacja Obniżenie oporów skrawania
Powłoki DLC (ta-c) wytwarzane techniką łukową - ARC Źródła łukowe z targetami grafitowymi 50A 25V DLC = ta-c + a-c 50A 25V 80A 20V DLC, 1,8mm, 50 GPa Cr, 0,2mm, 10GPa HSS, 10GPa HM, 15-22GPa Ar, 0,1Pa - 600-20VV Uchwyty podłoży Źródło łukowe z targetem chromowym
Powłoki DLC wytwarzane techniką łukową - ARC Cr/DLC DLC Cr-CrN x Cr-CrN x /CrCN HSS, HM HSS, HM
Powłoki DLC wytwarzane techniką łukową ARC A. Anders, Cathodic arcs, Springer 2008 FARC Filtered ARC A. Anders, Cathodic arcs, Springer 2008 ta-c A. Anders, AVS 53rd International Symposium & Exhibition
Powłoki DLC wytwarzane techniką łukową - ARC Główne parametry determinujące właściwości powłoki bazowej Parametry pracy źródeł łukowych (wartość prądu d.c., wartość i częstotliwość impulsów wysokoprądowych) Ciśnienie argonu Napięcie polaryzacji podłoża Temperatura podłoża Grubość powłoki DLC Grubość podwarstwy Cr Sposób przemieszczania pokrywanych elementów Zawartość mikrokropel
Powłoki X-DLC wytwarzane techniką magnetronową Ar 0,3 Pa AM700 C 2 H 2 80A 3A 500V 20V 1,5A 600V - 100 800 V
Budowa powłok X-DLC (W-DLC) Warstwa W-DLC PAPVD + PACVD Warstwa W-WC x -W-DLC Wielowarstwa Cr/W Warstwa Cr Podłoże Si (100) TEM I C2H2
Szczegóły budowy poszczególnych warstw powłoki W-DLC WC
Powłoki nanokrystaliczne Politechnika Struktura i właściwości powłok X-DLC Powłoki nanokompozytowe Nanokrystality < 20 nm Nanokrystality 10 1 nm < 5% DLC 5 95% DLC XC DLC 0-20% DLC Wysoka twardość Niska odporność na pękanie WC, d WC =8-10nm H=40GPa, f=0,35 30 70% DLC Wysoka twardość Wysoka odporność na pękanie W-DLC, d WC =3-4nm H=30-20GPa, f=0,25 80 90% DLC Korzystne właściwości tribologiczne W-DLC, d WC < 2nm H= 16-8GPa, f=0,05
Powłoki X-DLC wytwarzane techniką magnetronową Główne parametry determinujące właściwości powłoki bazowej Ciśnienie cząstkowe acetylenu (natężenie przepływu) Napięcie polaryzacji podłoża Grubość powłoki X-DLC Grubość i architektura podwarstwy na bazie Cr i Cr/X Sposób przemieszczania pokrywanych elementów Temperatura podłoża
Zespół realizujący Zadanie 3 projektu Hybryda A. Czyżniewski M. Pancielejko J. Walkowicz V. Zavaleyev S. Bernat A. Pander A. Wojtalik Dziękuję za uwagę Projekt współfinansowany przez Unię Europejską z Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego w ramach Programu Innowacyjna Gospodarka, 2007-2013.