DLC (DIAMOND-LIKE CARBON): UN REVESTIMIENTO NANOESTRUCTURADO A BASE DE CARBONO
"Las películas DLC, muy utilizadas en los discos rígidos magnéticos de las computadoras, son materiales formados por átomos de carbono, tanto del tipo sp 2 como del tipo sp 3 , y sus propiedades dependen de la razón entre el número de átomos con cada una de estas hibridizaciones (sp2/sp3)."
Nuestras computadoras utilizan un disco rígido para el almacenamiento de datos. Su tecnología es el resultado de un enorme avance en el conocimiento de las propiedades magnéticas de los materiales, el efecto de la magnetorresistencia gigante, que le valió a sus descubridores el Premio Nobel de Física en 2007. Lo que pocas personas saben es que el material donde quedan almacenados datos y programas, películas finas magnéticas, es protegido de la oxidación y del desgaste mecánico en el contacto con el cabezal de lectura por una película de carbono extremadamente fina. Esta película forma parte de una familia de materiales llamados películas de carbono del tipo diamante, DLC, del inglés Diamond-like Carbon Films.
El átomo de carbono en sólidos tiene dos tipos de núcleos electrónicos bien distintos, llamados hibridizaciones, que son responsables por la existencia de materiales con características muy diferentes.
Así, el grafito está formado exclusivamente por átomos de carbono con hibridización sp 2 , tiene una estructura laminar y es un excelente lubricante sólido. Ya el diamante, que es el material más duro existente en la naturaleza, está formado exclusivamente por átomos de carbono con hibridización sp 3.
Representación de la estructura cristalina del grafito (sp 2 ) arriba y del diamante (carbono sp 3 ) abajo
En este contexto las películas DLC son materiales nanoestructurados formados por átomos de carbono, tanto del tipo sp 2 como del tipo sp 3 , y sus propiedades dependen de la razón entre el número de átomos con cada una de estas hibridizaciones (sp 2 /sp 3 ). Ellos no tienen una estructura cristalina como el grafito y el diamante y, por ello, son también llamados películas de carbono amorfo, o sea, son materiales desordenados formados por pequeños aglomerados de átomos de carbono sp 2 ligados entre si por átomos de carbono sp 3 . Así, es posible producir películas DLC con propiedades deseadas que, en ciertos casos, pueden estar más cercanas a aquellas del grafito y en otras situaciones más parecidas a las propiedades del diamante. Para esto, se ajusta la razón sp 2 / sp 3 . Esto es realizado a partir de la elección de la técnica de producción del mate
rial y de los parámetros escogidos para la deposición de la película: presión en la cámara de deposición, flujo de gases, temperatura del substrato, etc. De este modo es posible obtener películas duras, con bajo coeficiente de fricción y químicamente inertes. Asimismo, otros átomos pueden ser incorporados durante la deposición de películas DLC, siendo el más común el hidrógeno. Debido a estas diferentes características, el instituto Fraunhofer de Alemania realizó una clasificación de los diversos tipos de películas DLC, que es mostrada en la Tabla 1, donde están indicados la hibridización dominante de los átomos de carbono que forman la película, el nombre y la sigla de cada película, y si esta contiene o no átomos diferentes del carbono. En el caso de la incorporación de metales, los más utilizados son el titanio y el tungsteno, mientras que para películas DLC modificadas podemos tener la incorporación de silicio - lo que aumenta la estabilidad térmica, la incorporación de nitrógeno, que reduce la tensión interna, facilitando su adhesión a los substratos, o de flúor, para la producción de revestimientos hidrofóbicos duros.
TABELA 1
Películas DLC (diamond-like carbon films) o películas de carbono amorfo
No hidrogenado |
Hidrogenado |
|
|
Con metal |
|
|
Con metal |
Otros átomos |
sp 2 |
sp 3 |
sp 2 |
sp 2 ~ sp 3 |
sp 3 |
sp 2 |
sp 2 |
Carbono amorfo |
Carbono amorfo
tetraédrico |
Carbono amorfo
con metales |
Carbono amorfo
hidrogenado |
Carbono amorfo
hidrogenado tetraédrico |
Carbono amorfo
hidrogenado con metales |
Carbono amorfo
modificado |
a-C |
ta-C |
a-C:Me |
a-C:H |
ta-C:H |
a-C:H:Me |
a-C:H:X |
MÉTODOS DE PRODUCCIÓN
La deposición de películas DLC es realizada por técnicas basadas en plasmas fríos. Para aplicaciones industriales son dos las técnicas más utilizadas: la deposición por pulverización catódica (en inglés, sputtering), donde átomos de carbono son arrancados de un blanco de grafito por un plasma de argón, o la deposición estimulada por plasma (cuya sigla en inglés es PECVD, Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition), donde un hidrocarburo es descompuesto en un plasma que puede ser generado por una fuente de radiofrecuencia (13.56 MHz), pulsada (~kHz) o incluso de corriente continua. En el último caso, las películas son siempre hidrogenadas. En común a ambas técnicas está el hecho que para la producción de películas duras es necesario que el substrato donde se desea depositar el revestimiento esté polarizado negativamente, de modo que atraiga los iones positivos presentes en el plasma. La tensión de polarización controla las propiedades mecánicas y tribológicas de películas DLC, ya que el proceso de bombardeo es parte inherente del proceso de deposición de la película, y la energía de los iones controla la razón sp 2 /sp 3 . Como esta tensión es inferior a -500 V, los iones que bombardean el material a ser recubierto quedan en una capa muy cercana a la superficie o en la propia película. Este proceso es realizado en una cámara de vacío y no es necesario calentar el substrato, que, por el contrario, puede hasta ser refrigerado manteniéndose durante el proceso de deposición a temperatura por debajo de los 70°C,
lo que permite la deposición de películas DLC en substratos poliméricos a los cuales ellos presentan excelente adhesión. En substratos metálicos, la adhesión no es tan fácil y es necesaria la producción de una capa intermedia entre el metal y la película DLC. Esta capa puede ser una película fina con buena adhesión al metal, en general silicio o titanio, o la formación de una capa de carbonitrato por medio de un tratamiento a plasma antes de la deposición de la película DLC. Asimismo, con las tecnologías hoy empleadas, los sistemas de deposición permiten el recubrimiento de piezas de geometrías complejas de manera muy uniforme.
ALGUNAS CARACTERÍSTICAS DE REVESTIMIENTOS DLC
Las películas de DLC más empleadas en aplicaciones industriales, a-C, a-C:H y a-C:Me, tienen típicamente dureza del orden de 20% de la dureza del diamante, alta resistencia al desgaste y bajo coeficiente de fricción contra el acero. Los revestimientos a-C y a-C:H presentan también bajísima rugosidad (menor que 1 nm), incluso en películas con espesores de 1-2 um. Además de la industria de discos rígidos magnéticos, estos revestimientos son hoy utilizados como revestimientos protectores de prótesis ortopédicas, láminas de afeitar, lentes de anteojos y en la industria automotriz, entre otras diversas aplicaciones. Entre los revestimientos protectores que son objeto de investigaciones recientes, aparecen las películas de carbono fluorado duro depositadas por PECVD, a-C:H:F.
Estos revestimientos pueden ser más duros que el acero y tener hidrofobicidad próxima a la verificada en el Teflon®, resultando en un revestimiento antiadhesivo duro. Las aplicaciones buscadas están en el área de la medicina como, por ejemplo, revestimientos de stents cardíacos y revestimientos en la industria del petróleo y gas.
Prótesis ortopédica revestida con película DLC. Láminas de afeitar revestidas con DLC. Las láminas de Gillete Mach3 también poseen el mismo revestimiento: son llamadas láminas Corte-Diamante.
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Prof. Fernando Lázaro Freire Junior
Coordinador del Instituto Nacional de C&T en Ingeniería de Superficies - profesor titular de la PUC-Rio.
Doctor en Física de la PUC-Rio (1985), realizó el postgrado en la Universidad de Pádova, Italia, entre los años 1988 y 1989. En 1993 fue profesor visitante en la Universidad de Trento, Italia, e investigador visitante en la University of North Carolina (Chapel Hill, USA), trabajando con películas de diamantes y películas DLC. Fue presidente de la Sociedad Brasileña de Investigación en Materiales de 2006 a 2010. Es autor de más de 150 artículos publicados en revistas internacionales indexadas y con revisión por pares. Fue consultor de diversas empresas en la caracterización de superficies. Tiene experiencia en el área de materiales, con énfasis en la producción y caracterización de películas a base de carbono (DLC), actuando principalmente en los siguientes temas: revestimientos protectores, caracterización físico-química de superficies, propiedades mecánicas y tribológicas de películas finas. |
