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DLCのバリエーション(組成と物性の相関)
炭素素材は100面相
 天然もしくは人工的に作られる炭素(カーボン)材料は、その結合の状態や混合物の種類や比率によって、実に様々な性質を持つようになります。

 SP3結合の炭素原子だけで成り立つ物質として良く知られているダイヤモンドは、天然の物質の中で最も硬い物質であり、他にも摩擦係数が低いことや、熱伝導率や絶縁性が高いこと、油との親和性に優れることや、耐腐食性に優れていることなど、多くの工業的価値をもっています。

 一方、SP2結合の炭素原子だけで成り立つ物質は、鉛筆の芯の材料として使われるグラファイト(黒鉛)と呼ばれる物質です。 黒鉛は、耐熱性の高さや潤滑性の高さなどの工業的価値を持っています。

 近年では、カーボンナノチューブやフラーレンなどもナノテク素材として注目を浴びていますが、これらも炭素でできた物質ですし、昔から馴染みのある炭、活性炭、カーボンファイバーなども含まれます。

このように、炭素は、その結像の構造や組成によって、様々な表情を見せ、様々な用途で使われています。
DLCもひとつではない
 前のページで説明したとおり、ダイヤモンドはSP3結合だけでできており、グラファイトはSP2だけでできているのですが、SP3結合とSP2結合が複雑に交じり合ってできている炭素素材をアモルファスカーボンといい、DLCもこれに含まれます。
 アモルファスカーボンは、SP3の比率が多ければダイヤモンドに似た物性となり、SP2の比率が多ければグラファイトに似た物性となるので、その比率を調整することで、様々な特性をもつアモルファスカーボンを生成しています。
水素含有量の調整や、特殊元素の配合でバリエーションが増える
 さらに水素原子の含有の有無と、含有量を調整することで物性を変えることが可能で、一般的に水素含有量が多くなると、よりポリマー様の(高分子的な)物性になるとされています。
 その他、ケイ素(Si)、ニッケル(Ni)、クローム(Cr)、タングステン(W)などの元素を含有させることで、さらなる物性のバリエーションを広げる方法も知られています。
DLCの組成の概念図
SP3/SP2/Hの比率を基にしたDLCの概念図として、C.FerraiとJ.Robertsonが提唱した3元相図があります。
SP3/SP2/Hの比率とDLCの特性の相関図
(図1)SP3/SP2/Hの比率とDLCの特性の相関図
A. C. Ferrari and J. Robertson,
“Interpretation of Raman spectra of disordered and amorphous carbon”,
 PHYSICAL REVIEW B Vol.61(20) (2000) p.14095
この相関図において、一般的にDLCの領域を示したものが以下の図になります。
DLCの組成別分類
(図2)DLCの組成別分類
水素フリーDLC
 水素を含まないDLCの領域にはSP3/SP2の比率でta-Cとa-Cがあり、一般的に水素フリーDLCと呼びます。現状では、より高硬度を求めるケースが多いため、ta-Cが主流となっています。
 ta-Cの領域のDLCは、高硬度で耐熱性が高い傾向にあるほか、油中での摩擦係数低減効果に優れるという特長があり、自動車のエンジンオイル中での表面処理技術としては最も優れた効果を得られるとして高く評価されています。
水素含有DLC
 水素を含有するDLCの領域では、ta-C:Hおよびa-C:Hがあります。
水素を含むDLCは 無潤滑環境下での摩擦係数低減効果が高いという特長があります。
 SP3の比率を上げれば、硬度が高くなり、油中での摩擦係数低減効果も向上すると考えられています。SP3の比率の小さいa-C:Hの領域のDLCでは、樹脂などの高分子化合物の表面処理などに可能性を見出す研究が進められています。

【補足】
 ta-C テトラへドラルアモルファスカーボン
 a-C アモルファスカーボン
 ta-C:H 水素化テトラへドラルアモルファスカーボン
 a-C:H 水素化アモルファスカーボン
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