类金刚石碳（Diamond-like carbon，简称 DLC，又称：类钻膜或类钻碳）是一种具有金刚石特性的非晶态碳材料。根据其内部碳原子的结合方式及氢含量，DLC 通常被划分为七种不同的形式，其共同特征是含有大量 sp³ 杂化的碳原子，由于具备高硬度、低摩擦等特性，DLC 常被用作其他材料的表面涂层。这些形式的多样性源于金刚石本身存在的两种晶型：常见的立方晶体与较罕见的六方晶体（蓝丝黛尔石）。通过在纳米尺度上以不同比例混合这些结构，类金刚石涂层可以同时具备非晶态、富有弹性且纯 sp³ 杂化连接的特性。其中，最硬、最强且最光滑的形式被称为四面体非晶碳（ta-C）。作为一种由纯 sp³ 键组成的“纯”类金刚石碳，仅 2 微米厚的 ta-C 涂层即可显著提升 304 不锈钢等材料的耐磨性，使其在特定环境下的使用寿命从 1 周大幅延长至 85 年。其他六种形式则可能通过掺杂氢、石墨化 sp² 碳或金属填料，以降低生产成本或增强特定性能。 DLC 涂层几乎可应用于任何兼容真空环境的材料表面。2006 年，欧盟外包 DLC 涂层市场估值已达约 3000 万欧元。2011 年，《每日科学》报道称斯坦福大学研究人员在超高压条件下合成了一种超硬非晶金刚石，该材料虽无金刚石的晶体结构，却保留了碳的轻质特性。
天然金刚石和合成金刚石的区别
天然金刚石通常以近乎纯净的立方晶系结晶形式存在，由 sp³ 杂化的碳原子组成。尽管杂质或缺陷可能赋予其颜色，但其晶格仍保持立方结构且维持纯粹的 sp³ 键合。由于立方晶型的内能略低于六方晶型，且无论自然形成还是人工合成，其从熔融态生长的速率都足够缓慢，使得碳原子有充足的时间排列成能量最低的立方晶格。相比之下，类金刚石碳（DLC） 是通过高能前驱碳（如等离子体、阴极电弧沉积、溅射沉积或离子束沉积）在相对低温的表面上快速冷却或淬火而成。在这种极端条件下，碳原子在被“冻结”于材料表面前缺乏足够的结晶时间，导致立方与六方晶格层随机混合。这种非晶态结构使得 DLC 涂层缺乏长程有序的晶格，进而消除了脆性断裂面，因此，DLC 涂层不仅拥有接近金刚石的硬度，还兼具良好的弹性和对基底形状的适应性。目前，这种独特的物理性质已被广泛应用于纳米尺度下原子间磨损的研究。
生产
图像（金涂层处理后）。图示结构单元并不是微晶确实sp3杂化碳原子的结核。这些碳原子的晶体结构在立方和六方之间随便交替变化。这些晶粒都很小，因此表面看上去如镜面般光滑。]]
目前存在多种生产类金刚石碳（DLC）的方法，其核心逻辑均基于 sp³ 杂化键的键长明显短于 sp² 杂化键这一物理事实。通过在原子尺度施加压力、冲击、催化或其组合手段，可以迫使 sp² 杂化碳原子相互靠近并转化为 sp³ 键合。这种外部作用必须足够强大，以确保原子偏离原有的 sp² 键合特性，且无法像弹簧般恢复原状。在通用技术层面，通常需要通过足够的压力使 sp³ 碳原子团簇深入涂层内部，从而挤压空间，抑制其膨胀回 sp² 状态；或者通过极快的沉积速率，使新生成的团簇迅速被后续碳原子覆盖。这一过程可以形象地类比为“下冰雹”——一种相较于天然或合成金刚石生产环境，更为局部化、高速且处于纳米尺度的热压结合条件。由于这种成核过程独立发生在生长表面的多个位点，薄膜往往呈现出类似“鹅卵石街道”的形貌，其中的“鹅卵石”即指 sp³ 杂化的碳结核或团簇。根据特定的生产工艺（如调节新碳元素的到达比例或利用弹道运输效应），这些结核可能保持独立，也可能相互融合，形成细微到难以察觉的致密结构（如 ta-C 薄膜）。图示为一个常规的"中等"形貌的ta-C薄膜。
性质
类金刚石涂层（DLC）的键合结构
类金刚石涂层是一种非晶态结构，其原子键合由 sp² 杂化（对应二维石墨结构中的 π 键）与 sp³ 杂化（对应三维金刚石结构中的 σ 键）混合而成。这种独特的混合键合模式，使得 DLC 涂层能够同时兼具金刚石的高硬度与石墨的低摩擦特性。
硬度特性
类金刚石涂层（DLC）的维氏硬度范围通常在 1800 HV 至 8000 HV 之间。其宏观硬度主要取决于内部 sp³ 杂化（金刚石结构）与 sp² 杂化（石墨结构）的比例：sp³ 杂化的碳含量（即金刚石成分）占比越高，涂层的硬度就越接近天然金刚石；反之，若 sp² 杂化成分增加，则涂层会表现出更好的润滑性。
摩擦学特性
类金刚石涂层（DLC）对钢材的摩擦系数极低，通常介于 0.08 至 0.2 之间。其摩擦学性能受微观键合结构的影响显著：摩擦系数的大小取决于 sp³ 杂化（金刚石结构）与 sp² 杂化（石墨结构）的比例。由于 sp² 杂化成分具有类似石墨的层状润滑特性，涂层中 sp² 杂化含量越高，其摩擦系数通常越低。这种优异的自润滑性能使 DLC 即使在无油润滑的干摩擦条件下，也能达到与润滑油环境相近的减摩效果。
电学性能
类金刚石涂层（DLC）通常具有优异的绝缘性能，其电阻率范围极广，根据制备工艺与成分（如氢含量、掺杂元素及 sp³/sp² 比例）的不同，其电阻值可从数百 KΩ 跨越至数十 MΩ。这种高电阻特性使其在电子封装、微机电系统（MEMS）以及需要防静电或电绝缘保护的精密零件中具有重要的应用价值。
光学特性
在可见光范围内，类金刚石涂层（DLC）通常呈现出光亮的深黑色或深灰色外观，具有独特的装饰性质感。此外，DLC 在红外光谱波段表现出优异的红外线吸收性与透过率调控能力，使其不仅常用于高档手表的表面装饰，还在红外光学窗口、传感器保护罩等精密光学元件的增透或防护膜层中得到广泛应用。
应用
耐磨材料的环境效益
参见
*化学气相沉积
*阴极电弧沉积
*物理氣相沉積(PVD)
参考
外部链接
*[http://azom.com/details.asp?ArticleID=623 Diamond-like carbon coatings] : The A-Z of Materials
*[https://web.archive.org/web/20070928081401/http://hafniumisomer.org/Refs.htm Non-crystalline diamond]: Bibliography of early work on DLC
*[http://cordis.europa.eu/fetch?CALLER=EN_NEWS&ACTION=D&SESSION=&RCN=31822 DLC at the nanoscale] : Recent applications of DLC at the nanoscale
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