類鑽碳(DLC)塗層介紹與應用
表面處理真空鍍膜技術泛指材料表面進行沉積並利用材料特性達到所要求之功能，近年要求性能不斷的提升，因此透過各種塗層材料來加強工業上工具和零組件的耐用性和功能性促使市場產生了濃厚的興趣不斷投入研究發展，如氮化物，氧化物，碳化物等材料，數年來已經有大量學術研究成功並將塗層應用在商業產品上，如類鑽碳(Diamond-like Carbon，DLC)塗層應用於汽車部件閥門過濾器、凸輪軸以減少摩擦並提高性能，生醫方面如人工髖關節透過表面處理提升硬度或生物相容性、降低感染風險等應用。
近來國際環保意識提升，國際大廠紛紛要求供應鏈符合綠色製程，因此表面處理鍍膜技術，逐步從傳統之電鍍、離子氮化等技術，演進到較環保的真空鍍膜技術，接下來將進一步介紹DLC塗層材料及應用案例。
一、類鑽碳(Diamond-like Carbon，DLC)塗層介紹
類鑽碳(DLC)是一種非晶的材料，其材料性質類似於鑽石，具有高硬度、耐磨、低摩擦係數、表面光滑等特性，透過不同製程調整可應用於不同產業上。
DLC塗層結構主要是由鑽石結構的sp3鍵結碳原子和石墨結構的sp2鍵結碳原子混雜在一起形成的結構，可以根據有無含氫可分為含氫DLC塗層(a-C:H)和不含氫DLC塗層(a-C)，或是不同的sp3與sp2鍵結的比例又分為不同的細類如圖一所示。
圖一、DLC塗層的三元相圖[1]
根據文獻研究指出摻雜碳塗層的效果，可以改善塗層殘留應力、抗裂性或附著性方面等性能如圖二，而DLC塗層可以透過多種方式實現，以PVD方式舉例，碳元素可摻雜其他元素燒結成靶材進行沉積，並在沉積過程中可改變塗層中的摻雜含量，或是以金屬靶材通入含碳氣體進行沉積。
圖二、摻雜元素對碳塗層性能的影響[2]
二、DLC塗層低摩擦特性應用於汽缸套
類鑽碳（DLC）塗層的特性具有優異耐磨性和低摩擦性，可滿足許多不同的應用。研究指出在汽缸套鍍上DLC塗層與無塗層相比可有效提升性能，內文說明將汽缸套鍍上3.5μm厚度並測試摩擦係數值進行比較如圖3，在荷重50N下分別測試25、50、75、100、150、250 和 375 rpm 並測試2小時與4小時，可看出2小時與4小時摩擦係數比較沒有顯示出明顯變化，但在平均摩擦係數值DLC 塗層與無塗層相比低了19%。
圖三、無塗層與DLC塗層之摩擦係數平均測量值[3]
後續進行引擎實際運轉在不同轉速紀錄功率、扭矩、油耗如圖四，在低速範圍（1000 - 1400 rpm）可看出當使用DLC低摩擦塗層於汽缸套時油耗顯著降低了 2.5%，在引擎測試運轉後也可看出有DLC 塗層氣缸套磨損量比無塗層來的少，由此可得知DLC塗層具有相當多的優異性，而未來汽車領域對DLC 塗層對耐磨、高性能汽車零件的需求也不斷增長，在其他領域如生醫，電子產品等都有相當大的商業應用，因此後續DLC塗層經濟效益發展是讓人相當期待的。
圖四、無塗層和DLC塗層氣缸套於引擎測試比較[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.