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1、科學與工科學與工程技術期刊程技術期刊 第十一卷第十一卷 第一期第一期 民國一四民國一四年年 Journal of Science and Engineering Technology, Vol. 11, No. 1, pp. 1-7 (2015) 1 鍍鍍類鑽碳膜類鑽碳膜 304 不鏽鋼不鏽鋼之之磨耗性質研究磨耗性質研究 李國龍1* 施嘉玲2 潘文峰3 1遠東科技大學創新設計與創業管理系 74448 台南市新市區中華路 49 號 2,3國立成功大學工程科學系 70101 台南市東區大學路 1 號 摘摘 要要 本研究以乙炔為主要的反應氣體，利用電漿輔助化學氣相沈積法製作類鑽碳薄膜披覆於於滑蓋手機
2、的滑軌材料 304 不鏽鋼上，而其中所沉積的不同膜厚類鑽碳分別為：1、2 及 2.5m。實驗以 RCA 耐磨測試機、Rockwell 硬度實驗機、SRV 往復式磨耗試驗機和顯微拉曼光譜儀進行耐磨耗性、附著度、摩擦係數、磨耗壽命及拉曼 I(D)/I(G)比的試驗，並利用環境掃描式電子顯微鏡來觀察 304 不鏽鋼磨耗後的情況。實驗結果發現，鍍有類鑽碳膜比傳統銀或黑烤漆的 304不鏽鋼有較低的摩擦係數、更高的耐磨耗性、更高的附著度及較佳的磨耗壽命。此外，由於 2m類鑽碳膜的石墨化現象較嚴重，而使得鍍膜產生潤滑的效果，因而造成該膜厚的磨耗壽命比2.5m 鑽碳膜厚的磨耗壽命更高。 關鍵詞：關鍵詞：類鑽碳
3、薄膜，304 不鏽鋼，耐磨耗性，摩擦係數，磨耗壽命。 Abrasion Properties of Diamond-like Carbon Coating on 304 Stainless Steel KUO- LONG LEE1* *, CHIA- LING SHIH2 and WEN- FUNG PAN3 1Department of Innovative Design and Entrepreneurship Management, Far East University No. 49, Chung Hua Rd., Hsin-Shih. Tainan County 74448, Tai
4、wan, R.O.C. 2,3Department of Engineering Science, National Cheng Kung University No.1, University Rd., Tainan City 70101, Taiwan, R.O.C. ABSTRACT In this study, by using C2H2 as the reaction gas, a plasma-enhanced chemical vapor deposition method was used to coat diamond-like carbon onto 304 stainle
5、ss steel for use in cell phones. Three thicknesses of the diamond-like carbon film were examined：1, 2 and 2.5 m. An RCA wear resistance machine, Rockwell hardness testing machine, SRV reciprocating wear-testing machine, and a Raman spectrometer were used to conduct wear-resistance, adhesion, coeffic
6、ient-of-friction, wear-life, and I(D)/I(G) ratio tests. In addition, an environmental scanning electron microscope was 科學與工程技術期刊科學與工程技術期刊 第十一卷第十一卷 第一期第一期 民國一四年民國一四年 2 used to observe the abrasion of the 304 stainless steel. The experimental results showed that the 304 stainless steel with diamond-li
7、ke carbon coating had a lower coefficient of friction, higher wear resistance, higher adhesion, and longer wear life. In addition, a lubricating effect was observed because of severe graphitization of the 2-m diamond-like carbon film. Therefore, its wear life was higher than that of the 2.5-m diamon
8、d-like carbon film. Key Words: Diamond-like Carbon Film, 304 Stainless Steel, Abrasion Resistance, Coefficient of Friction, Abrasion Life. 一、一、 前言前言 在科技普及的時代，3C 產品幾乎成了最熱門的產業之一，再不斷要求創新下，除了多功能與方便性為基本要素外，求新求變更是一門重要的學問。而現今手機設計越來越薄且方便性與外觀性也越來越重視 ， 所以在手機上需要就是一種創新，從直板式、折疊式、旋轉式延生至滑蓋式手機。滑蓋式手機的優點是在於可將手機顯示螢幕與控
9、制元件做重疊設計，在螢幕尺寸方面便可增大，外型也較具有時尚感。然而，在滑蓋手機內的 304 不鏽鋼的滑軌由於耐磨性不夠，所以若在長期使用下，常常會因為磨耗的影響，造成滑軌表面的磨損，使其手機無法正常運作而送修，這不僅造成使用者困擾，也使得該產品的聲譽受到損傷，因此如何提升滑蓋手機滑軌的磨耗壽命，是手機廠商相當重視的研究課題。 類鑽碳膜（diamond-like carbon film）是一種介於石墨與鑽石之間特性的材料，同時具有石墨 （sp2鍵） 與鑽石 （sp3鍵）鍵結的非晶質（amorphous）碳膜，而其中含鑽石相結構遠高於石墨相結構，因此擁有相當多近於鑽石的特性。但若進一步細分，可分為
10、含氫類鑽碳膜（hydrogenated diamond-like carbon film ） 與 非 含 氫 類 鑽 碳 膜（hydrogenated-free diamond-like carbon film） 。含氫類鑽碳膜又稱為非晶質碳氫膜（amorphous hydrogenated carbon film） ，簡稱為 a-C:H，其結構多為非晶質與微晶等。另一種為非含氫類鑽碳膜又可稱為非晶質碳膜（amorphous hydrogenated-free carbon film） ，簡稱為 a-C，其結構有單晶、複晶、微晶與非晶質等9,11, 15。類鑽碳在各種硬質薄膜中在高硬度且具優良
11、耐磨耗性及低摩擦係數與耐強酸強鹼等特性的硬質薄膜，其很多特點與鑽石類似，現今應用於生醫材 料 及 光 學 方 面 等 各 領 域 極 為 受 到 重 視 1,2,6-8,10, 12-14,16-18。 類鑽碳成膜技術是在 1971 由科學家 Aisenberg 與Chabot 首先利用子束沉積法研究開發出來4，並且造就往後數十的研究熱潮。隨著時代科技的進步，類鑽碳膜的批覆方法已有相當的進展且多元化，而技術的種類更是琳瑯滿目。而不同的製程方式所鍍出的類鑽碳膜會有不同的特性，一般常使用的製作方式包括有：磁控濺鍍法 （Magnetron Sputtering）、射沈積法（Laser Ablatio
12、n）、子束沈積法（Ion Beam Assisted Deposition）、脈衝式真空陰極電弧法（Pulsed Vacuum Arc Discharge）、電子迴旋共振化學氣相沈積法（Electron Cyclotron Resonance, ECR）、電漿輔助化 學 氣 相 沈 積 法 （ Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition, PECVD）等方式。 本實驗研究係以乙炔為主要的反應氣體，使用電漿輔助化學氣相沈積法為製程的方法， 將手機滑軌材料 304 不鏽鋼表面覆蓋一層類鑽碳薄膜，再利用不同的實驗儀器試驗，希望能了解鍍類鑽碳薄膜 304 不鏽鋼
13、的耐磨耗性、附著度、摩擦係數、磨耗壽命，同時也將傳統所使用黑色及銀色烤漆進行比較。此外，本研究也考慮三種類鑽碳膜厚分別為 1、2及 2.5m，同時也進行上述相關特性的實驗測試，以了解膜厚對相關上述特性的影響。 二、二、實驗方法、試件及步驟實驗方法、試件及步驟 電漿輔助化學氣相沈積法在成長薄膜的過程中有化學反應發生，故屬於化學氣相沉積 ，特別之處是在於電漿的存在。電漿可促進反應氣體分子的分解、化合、激發、和解的程度，並促進反應活性基團的生成，因而降低反應沉積的溫度範圍，使得原本需要在高溫進行的反應過程得以在低溫實現。由於只需高真空，可以大量且快速地在基板上沉積，成本較低，適合工廠大量生產。而原料
14、是氣相，所以更可均勻的沈積於基板，其中反應氣體在電磁場中獲得能，化學反應就在電漿體中迅速地進行，高能電子撞擊反應物氣體分子，使之激發並電，產生化學性質很活潑的自由基團。 另外子撞擊底材表面，產生更活潑的表面結構，加快了化李國龍李國龍、施嘉玲施嘉玲、潘文峰潘文峰：鍍鍍類鑽碳膜類鑽碳膜 304 不鏽鋼不鏽鋼之之磨耗性質研究磨耗性質研究 3 學反應3。 圖圖 1. RCA 耐磨測試機耐磨測試機 圖圖 2. Rockwell 硬度實驗機硬度實驗機 圖圖3. 環境掃描式電子顯微鏡環境掃描式電子顯微鏡 本實驗的類鑽碳膜是以乙炔為主要的反應氣體 ，使用電漿輔助化學氣相沈積法方式製作， 將手機滑軌材料 304
15、 不鏽鋼表面批覆一層類鑽碳膜，再利用 RCA 耐磨測試機、Rockwell 硬度實驗機、SRV 往復式磨耗試驗機、環境掃描式電子顯微鏡和顯微拉曼光譜儀觀察耐磨耗性、附著度、摩擦係數、磨耗壽命及拉曼 I(D)/I(G)比。實驗步驟如下: （一）製作樣本：製作 304 不鏽鋼底材樣本。 （二）初步檢查：利用電子顯微鏡觀察底材樣本外表是否有缺陷。 （三）鍍膜：利用電漿輔助化學氣相沈積法將類鑽碳鍍膜於304 不鏽鋼上，其中考慮三種不同膜厚分別為 1、2及 2.5m。 （四）實驗：利用 RCA 耐磨測試機（圖 1） 、Rockwell 硬度實驗機（圖 2） 、SRV 往復式磨耗試驗機（圖 3） 、環境掃
16、描式電子顯微鏡（圖 4）和顯微拉曼光譜儀（圖5）進行相關的實驗。 （五）整理結果：根據各實驗裝備所測試的結果，整理出耐磨耗性、附著度、摩擦係數、磨耗壽命及拉曼 I(D)/I(G)比。 圖圖 4. SRV 往復式磨耗試驗機往復式磨耗試驗機 圖圖 5. 顯微拉曼光譜儀顯微拉曼光譜儀 科學與工程技術期刊科學與工程技術期刊 第十一卷第十一卷 第一期第一期 民國一四年民國一四年 4 三三、實驗結果與討論實驗結果與討論 RCA 耐磨測試機（圖 1）係以固定粗糙度的捲帶摩擦紙，並加上一定重量的壓力（一般設定在 175g）於受測試的產品表面，然後給予一定的速度捲動摩擦紙。由實驗結果得知，鍍 1m 類鑽碳薄膜的 304 不鏽鋼其耐磨耗性與現有製程的黑色烤漆相比，有非常顯著的改善。圖 6 顯示，鍍1m 類鑽碳膜的 304 不鏽鋼試片在 100、300、500、700 至1100 圈時 RCA 耐磨測試機仍未磨耗出 304 不鏽鋼底材，但塗黑色烤漆的 304 不鏽鋼試片在 RCA 耐磨測試機於
