1 Universidad del Atlntico

Recubrimientos y tribologia: Diamond-like Carbon Ballesteros Andrea, Bonifacio Hansel, Cardona Andrs, Snchez Gioset, Snchez Roger

Universidad Del Atlntico

Programa de Ingeniera Mecnica

Recibido:_____________________________; Aceptado:____________________________;

Publicado en lnea:_______________________.

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Resumen

Diamond-like-carbon (DLC) es un recubrimiento superficial creado para mejorar las propiedades

superficiales de un sustrato, tales como su dureza y resistencia al desgaste; este es el resultado de la

unin de estructuras especiales de carbono, adems, este es producido a bajas temperaturas, pero

existen distintos factores los cuales son influyentes en las propiedades finales, desde 1971 se han

realizado diferentes estudios que han logrado mejorar la capacidad de produccin, las propiedades y

el uso a nivel industrial.

Palabras Clave: Diamond-like carbon, Recubrimientos, tribologia.

Abstract

Diamond-like-carbon (DLC) is a surface coating designed to improve the surface characteristics of a

substrate, such as hardness or wear, this is the result of binding of special carbon structures also this

is produced at low temperatures, but there are other factors which are influential in the final

properties, since 1971 there have been various studies that have improved production capacity,

properties and use in industry.

Keywords: Diamond-like carbon, Coatings, tribology.

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1. Introduccin

Desde que el hombre empez a usar

herramientas, ha buscado siempre la forma de

mejorar las propiedades de ciertos materiales, en

el caso de los metales se ha buscado a lo largo de

los aos cmo mejorar las propiedades del metal

y adems reducir sus debilidades, de manera que

con el pasar del tiempo se han desarrollado

diversos mtodos los cuales han mejorando cada

vez ms las propiedades de los materiales; a

mediados de la segunda mitad del siglo pasado se

desarroll y se empez a implementar un mtodo

llamado DLC (Diamond-like-carbon) el cual a

nivel general busca otorgar a nivel superficial

propiedades caractersticas del diamante al

material donde es aplicado, estas propiedades son

dureza, resistencia al desgaste y disminucin de la

friccin. La forma hidrogenada del carbono es lo

que se nombra comnmente como DLC, el cual

contiene altas fracciones de hidratacin SP3,

mientras que TAC (carbono tetradrico) es como

se nombra al carbono no hidrogenado. En el caso

del diamante, puede observar que su estructura

tetradrica est compuesta por cuatro enlaces

carbono-carbono, compuestos, a su vez, por

tomos de carbono con cuatro orbitales SP3, por

otra parte el grafito posee una estructura SP2 [1].

El DLC es el resultado de la unin entre las

estructuras SP3 y SP2, cuya proporcin vara una

de la otra segn las tcnicas y mtodos usados

para la formacin de este.

Las propiedades y caractersticas del DLC,

dependen de los parmetros y la tcnica con la que

se realice la deposicin. Parmetros como energa

de ion o la tempera, son fundamentales debido a

que un mal manejo de estos podran variar las

caractersticas y propiedades (como en el caso de

la temperatura, la cual es inferior a los 100C,

debido a que una temperatura superior es

perjudicial para el recubrimiento), por otro lado, la

propia composicin del sustrato influye en el

crecimiento de la pelcula y adems puede influir

un poco en las propiedades de la pelcula [2].

2. Deposicin DLC

Este tipo de recubrimientos resultan muy

atractivos por sus grandes propiedades, como lo

son: bajo coeficiente de friccin, propiedades

antibacterianas, trasparencia ptica, resistencia al

desgaste y alta dureza. Estos recubrimientos tiene

como ventaja su bajo costo y no se necesita altas

temperaturas .Entre las diferentes tcnicas de

deposicin, las ms utilizadas podemos citar:

deposicin qumica asistida por plasma (PECVD

Plasma EnhancedChemical Vapor Deposition),

deposicin Por lser pulsado (PLD - Pulsed Laser

Deposition)descarga por arco de y deposicin

asistida por flujo de iones (IBAD - Ion-

BeamAssistedDeposition).

Previamente a realizar el proceso de deposicin

hay dos situaciones a considerar, la primera es la

baja adherencia del DLC a metales .Esta

limitacin puede ser contrarrestada con la

deposicin de una fina capa intermedia metlica,

tratamiento trmico en la superficie o

implantacin inica. Lo segundo es que si se

quiere garantizar buena adherencia y calidad en el

recubrimiento, se debe someter a una limpieza

superficial del sustrato, puede ser lijada con

diferentes clases de lijas (pastas de almina y de

diamante o de agua).Otra opcin es someterla a

una limpieza con ultrasonido en bao de acetona.

Seleccionar entre las tcnicas de deposicin estn

en funcin del criterio de cada quien, dependiendo

del presupuesto, del equipo, el tiempo etc.

Si se quiere bajo costo y buena calidad del

recubrimiento, una opcin muy buena es la

deposicin qumica asistida por plasma (PECVD),

debido a su bajo consumo energtico y

uniformidad en la pelcula.

En los mtodos PECVD, los sustratos tienen que

ser en un sesgo negativo en relacin con el plasma

para lograr bombardeo inico de la pelcula cada

vez mayor. La deposicin se realiza en hidrgeno

que contienen entornos para obtener pelculas

DLC que contienen hidrgeno de 10-50 at. %. El

hidrgeno es preciso para la obtencin de

propiedades "Diamante" en estos materiales. Se

determina la estructura de la pelcula, aplaca los

lazos colgando en las estructuras amorfas,

controlando as las propiedades pticas y

elctricas y afectas a las tensiones internas de las

pelculas. En la mayora de los casos la deposicin

es line-of-sight tcnica y la pelcula se deposita en

solamente una superficie del sustrato.

Las herramientas industriales basadas en esta

tcnica se han perfeccionado y se utilizan en la

fabricacin. Tambin se ha conseguido la

deposicin de pelculas DLC por un plasma de

alta densidad en un proceso PECVD resonador

helicoidal. El crecimiento y propiedades de

pelculas DLC son controlados por la temperatura

del substrato y el sesgo, el ltimo tiene el control

dominante [3]. La dureza, la densidad y el ndice

de refraccin de las pelculas aumentan con el

aumento de sesgo de sustrato. Las tasas de

deposicin tambin suelen aumentan con el

aumento de sesgo. Incluso para las pelculas

depositadas en un resonador helicoidal, los

substratos deban ser sesgados negativamente para

obtener propiedades similares al diamante.

Pelculas depositadas en este reactor sobre

sustratos de tierra tenan caractersticas

polimricas.

La implantacin de iones fuente de plasma (PSII)

tambin es una buena opcin. En esta tcnica, los

sustratos son colocados directamente en una

fuente de plasma y luego pulso-sesgado. Esto es

una tcnica no-line-of-sight y permite el

recubrimiento de estructuras complejas. Otra

tcnica no-line-of-sight para deposicin de DLC

se ha demostrado en una herramienta de

ionitriding en el que se ha depositado DLC por

3 Universidad del Atlntico

pulsos bipolares DC PECVD [3]. Las pelculas se

ha encontrado que tienen propiedades similares a

las pelculas PECVD RF-depositado, con la

ventaja de ser depositado en un reactor de

industria existente.

Las propiedades de dureza de taC lminas se

obtienen por las altas energas de las partculas

inmiscuan que forman las pelculas. Se supone

que en este caso las pelculas crecen por

suplantacin, en vez de por la condensacin

convencional, como es el caso de pelculas DLC.

Las requiere altas energas de la especie para

depositar se logran mediante diferentes

variaciones de vaco o descargas de arco

catdico, tales como arco filtrada [4], arco

pulsado, lser controlado por arco, pulsos lser

deposiciones o haces inicos masa seleccionados.

Las descargas de arco vaco pueden causar

recalentamiento local del ctodo y microspaling,

dando lugar a la deposicin de pelculas speras.

Estos problemas pueden ser superados por las

mencionadas modificaciones de las tcnicas para

depositar pelculas taC muy duro y liso. La tcnica

PSII puede utilizarse tambin para la deposicin

de pelculas de taC. La fraccin sp3 en las

pelculas de taC aparece alcanzar un mximo en la

energa de la partcula de aproximadamente 100

eV inciden.

Han desarrollado diversos materiales derivados de

las pelculas de carbn diamantado para cambiar y

mejorar sus propiedades. Dichos materiales son

similares en estructura a DLC o taC pero, adems

de carbono o hidrgeno, incluyen nitrgeno

(NDLC o CNx pelculas), silicio (SiDLC), silicio

y oxgeno, flor (FDIC) y los tomos (MeDLC)

de metal.La mayora se han hecho modificaciones

al DLC para reducir sus esfuerzos de compresin,

por lo general altos, internos (incorporacin metal

N, Si,), para reducir su energa superficial para

bajar an ms, sus coeficientes de friccin ya baja,

incorporacin Si O (F), o para modificar sus

caractersticas elctricas.Incorporacin de

nitrgeno se ha utilizado para mejorar las

propiedades de emisin de campo de DLC y taC.

Si la incorporacin en DLC se ha encontrado til

en la disminucin de la tasa de lmina de DLC en

plasma de oxgeno y lo hace til como una parada

de etch para lmpara DLC. Las pelculas de

carbono tipo diamante modificados son

depositadas por las mismas tcnicas como las

pelculas regulares mediante la adicin de especies

que contiene los elementos modificadores para el

medio ambiente de deposicin.

Fig 1 Esquema de varios sistemas de deposicin

para DLC [5]

3. Propiedades

3.1 Estructura

El carbono tiene tres diferentes tipos de

configuraciones de enlace: sp3, sp2 y sp1. En el

diamante, el carbono tiene cuatro orbitales sp3

hibridados, estos orbitales sp3 contribuyen a la

formacin de cuatro enlaces carbono-carbono

iguales con tomos adyacentes, lo que produce la

estructura tetradrica de diamante. Esta forma

tetradrica de estructura covalente unida es el

origen de las propiedades superiores de diamante,

como alta dureza y alta conductividad trmica. El

grafito tiene tres orbitales trigonales hbridos sp2

dirigidos, que se encuentran en el plano. Cada

tomo de carbono en el plano es unido a otros tres

tomos de carbono con enlaces covalentes fuertes.

Las capas de tomos de carbono se sienten

atrados el uno al otro por la debilidad de enlaces

de van der Waals que producen la estructura en

capas de grafito. Las capas pueden adherirse

fcilmente, lo que cuenta para la propiedad de

baja friccin tpica de grafito.

Las pelculas de DLC tienen una estructura sp3 /

sp2 mezclado con diferentes proporciones de

bonos sp3 y sp2 en funcin de las tcnicas de

deposicin y parmetros de deposicin usado.

Los recubrimientos DLC tiene algunas

propiedades extremas similares a la del diamante,

tales como la dureza, mdulo de elasticidad y la

inercia qumica, pero estos se consiguen en una

pelcula delgada desordenada isotrpica sin

lmites de grano. Es mucho ms barato de

producir que el diamante mismo, tiene grandes

ventajas para muchas aplicaciones. Las

propiedades tpicas de las diversas formas de DLC

se comparan con diamante y el grafito en la Tabla

1.

La unin sp3 de DLC confiere muchas de las

propiedades beneficiosas del diamante en s, como

su dureza mecnica, qumica e inercia

electroqumica, la brecha de banda ancha. Los

recubrimientos DLC consisten no slo en los

carbonos amorfos (AC), sino tambin de las

aleaciones hidrogenadas, aC: H. es conveniente

para mostrar las composiciones de las diversas

formas de amorfo C aleaciones h en un

diagrama de fases como en la Fig.3, como se

utiliz por primera vez por Jacob y Molle.

Fig. 2 Diagrama de fases de materiales DLC [6]

Fig. 3 Orbitales de hibridacin sp1, sp2, sp3 [5]

Tabla1. Propiedades de varias formas de

Carbono.[2]

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3.2 Propiedades mecnicas

Las pelculas DLC son singulares por su alto

mdulo de Young, su alta dureza y sus altas

tensiones internas, esas propiedades las asocian y

relacionan con la fraccin de Carbono sp3

presente en las pelculas, la alta dureza de las

pelculas de carbono tipo diamante est en un

intervalo de 10-30 GPa, donde les corresponde un

mdulo de Young 6-10 veces ms grande [7]. Las

tensiones en una pelcula de DLC suelen reducirse

por la incorporacin de Si, N, O y metales; estas

tensiones de compresin interna estn en un

intervalo de 0.5-7 GPa.

Generalmente la reduccin de tensiones se asocia

con la reduccin en la dureza y el mdulo elstico

de las pelculas. Las altas tensiones internas

limitan el espesor de las pelculas que puede ser

utilizado para cualquier aplicacin, a menudo a

menos de 1 mm de espesor. Las tensiones de los

DLC se han reducido para incorporar parte de

metales o mediante la construccin de estructuras

de mltiples capas que comprenden pelculas

blandas y duras usando un filtrado y alterando la

energa de los iones durante la composicin. El sesgo del substrato se cambi entre -100 eV (para

obtener las capas ms duras con una fraccin sp3

de 85% y una dureza de 60 GPa) y -2 kV (para

depositar pelculas suaves con una fraccin de sp3

de 39%) . Las estructuras multicapas tenan

dureza (40-23 GPa) y el mdulo (350 a 245 GPa),

correspondiente a la fraccin de las capas duras y

blandas, y las tensiones en el pelculas se

redujeron de 10,5 GPa, para la pelcula dura, de

3,8 GPa, para la pelcula que contiene una

fraccin suave 90% [8] .

3.3 Caracterizacin

Caracterizar de manera estructural las pelculas de

carbono tipo diamante se convierte en algo

bastante tedioso por sus propiedades amorfas. La

mejor tcnica que se ha utilizado para la

caracterizacin del DLC es la espectroscopia de

alta resolucin magntica nuclear (RMN), pero

tambin se sigue utilizando la espectroscopia

infrarroja (FTIR), sta ltima se utiliza para

cuantificar los coeficientes de hibridacin de

carbono que estn contenidos en las pelculas de

diamante tipo carbono, y tambin para caracterizar

de forma cualitativa de diferentes DLC

hidrogenados y sus transformaciones. Otra

tcnica de caracterizacin, pero no muy

recomendada es la espectroscopia por perdida de

electrones (EELS) que se usa para medir la

fraccin de unin sp2 en un DLC no hidrogenado,

pero no es adecuada porque DLC es sensible a la

irradiacin con haz de electrones. Las composiciones de pelcula pueden ser

determinadas por Rutherford Retrodispersin

(RBS), el anlisis de C y elementos ms pesados

se determinan por dispersin (FRES) para las

concentraciones de H. Las propiedades mecnicas

se determinan generalmente por nanoindentacin

mediciones de dureza y mdulo de Young d y las

mediciones de radio de curvatura de sustratos

revestidos se usan para la determinacin de la

tensin [9].

3.4 Tribologa

Los recubrimientos de DLC se utilizan a menudo

para evitar el desgaste debido a sus excelentes

propiedades tribolgicas. El DLC es muy

resistente al desgaste por abrasin y el adhesivo

por lo que es adecuado para su uso en aplicaciones

que experimentan presin de contacto extrema,

tanto en la rodadura y de deslizamiento de

contacto.

Las propiedades de friccin y el desgaste de los

revestimientos de DLC se ven afectados por las

propiedades del recubrimiento, el medio ambiente,

as como los parmetros tribolgicos aplicados en

la deposicin [10].

En trminos generales, los recubrimientos de DLC

pueden ser considerados como recubrimientos de

baja friccin en comparacin con la mayora de

los materiales a granel y, por ejemplo, para

revestimientos cermicos, tales como el TiN.

Mientras que el estao tiene tpicamente un

coeficiente de friccin de aproximadamente 0,5

contra un acero, en contraparte las pelculas de

DLC normalmente tienen un coeficiente de

friccin de 0,2 en atmsferas normales [11]..

El comportamiento tribolgico de diamante y el

grafito est influenciado por parmetros

ambientales, como la atmsfera y la temperatura.

En el aire hmedo, diamante y grafito muestran

valores comparables de coeficientes de friccin, es

decir, 0.2 para el grafito y 0,1 para el diamante

contra diamante. En el vaco ambos exhiben un

alto coeficiente de friccin, para el grafito 0,5 y

0,9 para el diamante.

Una revisin reciente de las propiedades

tribolgicas de pelculas DLC y en sus formas

modificadas muestra que, en todos los ambientes,

el comportamiento tribolgico de DLC es

controlado por una capa de transferencia

interfacial formada durante la friccin. La capa de

transferencia est formada por una transformacin

inducida por la friccin de la capa superior de la

pelcula de DLC en un material de baja resistencia

al corte. Esta transformacin puede ser causada

por la friccin inducida por recocido, causada por

efectos trmicos y deformaciones generadas

durante el deslizamiento. La resistencia al

cizallamiento de la capa de transferencia y su

adhesin a las superficies de deslizamiento puede

verse afectada por el medio ambiente y por la

carga de contacto y velocidad de deslizamiento.

La composicin de la capa de transferencia

tambin puede verse afectada por el material de la

contraparte de deslizamiento. La baja friccin y

bajo desgaste de los DLC y contrapartes pueden

explicarse por la baja resistencia al corte de la

capa de transferencia.

Algunos con fines de mejorar las propiedades del

material, adems de utilizar recubrimientos DLC

agregan algunos tipos de lubricantes que mejoran

las propiedades de las superficies; el uso de estos

vara segn la aplicacin.

3.5 Emisin de campo

En la bsqueda de la bsqueda de nuevas

aplicaciones para el DLC, un importante esfuerzo

se ha dirigido en los ltimos aos a la

investigacin de las propiedades de emisin de

campo de DLC. Field Emission display (Fed)

utilizan puntas afiladas de Molibdeno o de Silicio

para la emisin de

electrones y generar la excitacin de pantallas

planas que utilizan capas de fsforo [12]. Se

necesitan las puntas afiladas para obtener el

campo elctrico de alta requerido para extraer los

electrones de estos materiales que se caracterizan

por una funcin de alto trabajo de

aproximadamente 5 eV. La superficie hidrogenada

de diamante tiene una afinidad electrnica

negativa, por lo tanto pelculas de DLC tienen el

potencial de servir como emisores de electrones

para FEDs, sin necesidad de la litografa de 1 mm

para la preparacin de puntas afiladas [13].

Las caractersticas de Field Emission de pelculas

preparadas usando Diamond-like carbn (DLC) se

han estudiado un MSNIS. Debido a la negativa

Afinidad electrnica (NEA), la alta dureza, alta

conductividad trmica y la inercia qumica, las

pelculas DLC son considerados como buenos

emisores de electrones para pantallas de emisin

de campo. Sin embargo, las pelculas de DLC

muy lisas mostraron pobres caractersticas de

emisin de campo, independientemente de su

contenido SP3 o densidad [14]. Parece que la

Field Emission de DLC, u otras formas de

pelculas de carbono, no est relacionado con

electrones afinidad de los materiales, pero se

controla en su lugar por la rugosidad de la nano-

nivel de las pelculas.

4. Aplicaciones

Las pelculas de carbono de tipo diamante y sus

modificaciones presentan caractersticas nicas

las cuales junto a la posibilidad de ajustar sus

propiedades; las hacen adecuadas para una gran

variedad de aplicaciones. Entre las distintas

propiedades podemos encontrar la alta resistencia

al desgaste y bajo coeficiente de friccin, la

transparencia de infrarrojos, alta resistividad

elctrica las propiedades de emisin de campo y

de las constantes dielctricas bajas. El DLC parece

haber encontrado aplicaciones prcticas hasta

ahora. Debido a su transparencia IR, DLC puede

ser utilizado como una medida. Debido a su

transparencia IR, DLC puede ser utilizado como

un ING para la ptica IR (a una longitud de onda

de 8-13 mm) hecha de Ge, ZnS, ZnSe [15,16]. Las

bajas temperaturas de deposicin de DLC permite

su uso como una capa de desgaste protectora en

productos hechos de plstico y por lo tanto se

utiliza para la proteccin contra la abrasin de las

lentes de gafas de sol de policarbonato [17].

7 Universidad del Atlntico

La mayor aplicacin de las capas de DLCest en

el desgaste y la corrosin; proteccin de medios

de almacenamiento magnticos. Pelculas de DLC

muy delgadas (

[8]J.W. Ager, III, S. Anders, I.G. Brown, M. Nastasi, K.C. Walter, Surf. Coat. Technol. 91 (1997) 91. [9] Alfred Grill -1999- Diamond and Related Materials 8-Diamond-like carbn: State of the art- Elsevier Science New york USA [10] Holmberg, K. & Matthews, A. 1994. Coatings Tribology - Properties, Techniques and Applications in Surface Engineering. Tribology Series, 28.Amsterdam, The Netherlands. Elsevier Science B.V. 442 p. [11] Ronkainen, H., Varjus, S. & Koskinen, J. 1992. Tribological properties of diamond-like carbn films. Tribologia, Vol. 11, No. 4, pp. 133141. [12] George Fursey -2005. Field Emission in Vacuum Microelectronics. Springer. pp. 144. ISBN 978-0-30647457. [13] Alfred Grill -1999- Diamond and Related

Materials 8-Diamond-like carbn: State of the art-

pag 428434 Elsevier Science New york USA

[14] Namwoong PaikDiamond and Related Materials 14- Field emission characteristics of Diamond-like Carbon (DLC) films prepared using a Magnetron Sputter-type Negative Ion Source (MSNIS)pag 1556- 1561 Elsevier New york USA [15] P.Koidl, A.Bubenzer, B.Dischler, Symp.Opt. Surf.Technol.Proc.Soc.Photo-Opt.Instr.Eng.381(1983)186. [16] A. Lettington, in: P. Koidl, P. Oelhafen(Eds.), Amorphous Hydrogenated Carbon Films,Proc.Eur.Mater. Res.Soc.Symp., LesEditions dePhysique,Paris,1987,p.359. [17]F.M.Kimock,B.J.Knapp,Surf.Coat.Technol.56(1

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[18] EDGE: Work-GroupComputingReport,

May11,1998.

[19] ThinFilm/DiamondTechnology News,October 1,1997