高质量自支撑CVD金刚石膜的氧化行为

研究了气体循环模式下的直流等离子体喷射CVD自支撑高质量金刚石厚膜高温氧化行为.结果表明,金刚石膜在大约650℃开始氧化,氧化速度随着温度的升高而快速增加;高温氧化将导致金刚石膜的力学、光学和热学性能的下降,多晶金刚石膜晶界的优先氧化损伤是造成其综合性能下降的主要原因.高质量的自支撑金刚石膜不适合在空气中700℃以上长时间工作,但在800℃以下短时间(3min内)工作是安全的.     

直流电弧等离子体喷射金刚石厚膜生长不稳定性问题

采用高功率直流电弧等离子体CVD工艺制备了不同厚度的金刚石自支撑膜。观察到在金刚石厚膜生长过程中出现形貌不稳定性,并往往导致膜层组织疏松,强度降低。本文从理论和实验观察两个方面进行了讨论。生长不稳定性在任何高速沉积CVD过程中都可能发生,而直流电弧等离子体的高温造成碳源高饱和度以及高温等离子体射流对衬底表面的冲击,使之比其它CVD金刚石膜沉积工艺具有更大的不稳定生长倾向。基于实验研究结果,建议在较低的气体压力下沉积,以减小金刚石厚膜生长的不稳定性。     

CVD金刚石自支撑膜的力学性能

CVD金刚石自支撑膜已经作为一种崭新的工程材料出现,其应用日益广泛,急切需要对其力学行为进行深入了解。为此对有关金刚石膜的断裂强度和断裂韧度的研究,以及金刚石膜的断裂机制进行了详尽的论述。简略介绍了金刚石膜的断裂强度和断裂韧度的测试方法,给出了典型的测试数据。最后就如何提高金刚石膜的力学性能和更好地应用这种新型工程材料提出了建议。     

直流电弧等离子体CVD金刚石膜工艺参数优化

为了研究工艺对CVD金刚石膜生长的影响,本文采用电镜、激光Raman谱分析等手段研究工艺参数对CVD金刚石膜生长速率和生长质量的影响.结果显示:金刚石薄膜的生长速率随甲烷浓度(3%～10%)、基片温度(800～1200℃)的增加而增加,随工作气压的升高先是增加,而后降低,峰值在15～20 kPa处.金刚石薄膜中非金刚石碳的相对含量先随基片温度的增加逐渐降低,在1080～1100 ℃达到最小值以后又开始急剧增加,膜的质量(结晶形态好和非金刚石碳的相对含量少)在1080～1100 ℃处达到最佳.     

二氧化碳对金刚石膜生长的影响

利用微波等离子体化学气相沉积法,以H₂/CH₄/CO₂为混合气源,在Si基底上沉积金刚石膜,分析了微波功率和CO₂对金刚石膜生长的影响。利用Raman光谱、扫描电子显微镜（SEM）和X射线衍射（XRD）表征金刚石膜,以得到样品质量、表面形貌、晶粒取向等信息。结果表明:适当提高微波功率,可以促进金刚石晶粒长大并提高（100）取向度;加入适量CO₂,能提高金刚石膜质量和生长速率,并保持表面形貌不会发生明显变化,但随着CO₂含量的增加,金刚石表面形貌发生较大变化,薄膜质量和沉积速率先提高后降低。      

灯丝间距对CVD金刚石厚膜生长的影响

采用热丝化学气相沉积方法制备CVD金刚石厚膜,通过改变灯丝间距和增加围挡,获得生长速度7.5 μm/h,热导率1028 W/（m·K）,结构致密,无孔洞,甚至透红光的CVD金刚石厚膜。      

微/纳米复合多层金刚石自支撑膜的制备及应力研究

利用大功率DC Arc Plasma Jet CVD装置,采用Ar-H2-CH4混合气体为气源,通过优化工艺参数,在多晶钼衬底上制备出了多层复合金刚石自支撑膜.利用扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、激光拉曼谱(Raman)对膜体进行表征,结果显示,多层膜体的组织结构体现了微米金刚石与纳米金刚石的典型特征;复合金刚石自支撑膜具有光滑的表面,微米层与纳米层间呈相互嵌套式的界面;此外,利用激光拉曼谱分析了多层膜中的内应力状态,研究发现,多层膜中各层膜体具有不同的内应力状态,内应力沿膜体生长方向有明显变化,呈现出从压应力到拉应力的变化过程.     

直流等离子体CVD金刚石薄膜微观结构分析

采用直流等离子体CVD法制备了金刚石膜，利用X射线衍射、光学显微镜、扫描电镜、激光拉曼光谱等技术研究了金刚石膜的微观组织，晶粒择优取向生长过程。结果表明：开始形核时，晶粒随机无择优生长；对基体表面氢刻蚀预处理，有利于晶胚形核长大。甲烷浓度对金刚石膜晶粒择优取向生长有重要影响：甲烷浓度较低时，金刚石膜（100）面择优生长，形成以（111）为主的八面体晶体，并且可以制取中心和边缘均匀、高质量光学级自支撑金刚石膜，但生长速率慢，效率低。同时也发现金刚石膜存在空位、孔洞等缺陷。     

热丝CVD金刚石涂层膜基界面结合强度研究新进展

硬质合金基体金刚石涂层工具产业化应用的主要障碍之一在于涂层的膜基界面结合强度较差,易引发涂层早期脱落。提高膜基界面结合强度、保证刀具正常使用寿命,已成为金刚石涂层工具产业化亟待解决的主要问题。我们介绍了近年来在提高硬质合金基体金刚石涂层膜基界面结合强度方面所取得的一系列研究新进展,并提出了进一步改善其膜基界面结合强度的新思路,以促进热丝CVD金刚石涂层工具的产业化应用。      

MPCVD法制备金刚石膜的工艺

采用3 kW/2 450 MHz微波等离子体化学气相沉积(microwave plasma chemical vapor deposition, MPCVD)系统,以单晶硅为基底材料,采用单因素试验法研究微米级金刚石膜的生长工艺,分别探究衬底温度、腔体压强和甲烷体积分数对金刚石成膜过程的影响,获得微米级金刚石膜的最优生长工艺。结果表明:金刚石膜的生长速率与衬底温度、腔体压强、甲烷体积分数呈正相关;衬底温度和腔体压强对金刚石膜质量的影响存在最佳的临界值,甲烷体积分数过高不利于形成金刚石相。金刚石膜生长的最佳工艺参数为:功率为2 200 W,衬底温度为850 ℃,腔体压强为14 kPa,甲烷的体积分数为2.5%。在此条件下,金刚石膜生长速率为1.706 μm/h,金刚石相含量为87.92%。      

CVD金刚石表面增透膜的研究进展

CVD金刚石膜因特有的物理化学性质,具有发展成为新一代光学材料的前景。但由于CVD金刚石膜自身局限性导致其理论透过率不到71%,在金刚石膜表面镀制增透膜,通过改变增透膜组成成分、显微组织和晶体结构,可有效地改善CVD金刚石膜自身理论透过率的问题。首先,介绍了CVD金刚石表面镀制单层增透膜增透原理,并总结了物理和化学气相沉积技术制备增透膜的优缺点。然后,重点综述了近年来CVD金刚石表面氮化物、金属氧化物和稀土金属氧化物等增透膜材料的研究进展,详细分析了增透膜制备参数、热处理工艺、衬底表面改性和掺杂工艺对增透膜整体组织和性能影响的规律。其中优化增透膜沉积温度、氧分压和热处理等工艺参数,是通过改变增透膜微观组织形貌以及晶体结构来提高其光学透过性能,而改变衬底表面结构能够通过改变增透膜与基体之间的成键方式来提升界面结合能力,而稀土元素掺杂方式是通过改变增透膜化学组成成分来改善增透膜的光学透过性能,并指出掺杂元素成型机理和影响机制。最后,展望了未来CVD金刚石表面增透膜的发展方向。     

自支撑CVD金刚石膜光学性能与热学性能相关性研究

目的通过等离子体喷射制备不同质量CVD金刚石膜并研究其光学及热学性能,试图建立起两种性能的相互关联性。方法采用光学显微镜、X射线衍射仪、激光拉曼光谱仪、傅里叶变换红外光谱仪和NETZSCH LFA467导热仪检测CVD金刚石膜的表面形貌、晶粒尺寸、结构特征和红外光学性能、热学性能。结果金刚石自支撑膜的光学性能及热学性能密切相关,本质上取决于氮和非金刚石相的含量。当金刚石膜内氮质量分数大于0.009%时,氮含量是决定光学性能及热学性能的关键因素,且两者随着氮含量的增加呈线性衰减趋势;当氮质量分数小于0.009%时,氮的影响相对较小,晶粒尺寸成为影响金刚石膜热导率的主要因素,此时晶粒尺寸对金刚石膜红外透过率影响较小。此外,金刚石中C—H吸收与非金刚石相含量正相关,其对金刚石光学及热学性能影响规律与N杂质基本一致。结论 CVD金刚石膜的热导率和红外透过率随着金刚石膜的氮杂质含量和C—H吸收系数的降低而逐渐提高,当达到一定程度,红外透过率相对热导率的增加表现出滞后性。     

预处理对金刚石薄膜质量及结合力的影响

目的改善硬质合金表面金刚石薄膜的结合力。方法采用热丝CVD法在硬质合金基体上制备金刚石薄膜,研究对比喷砂+一步法、喷砂+两步法、Al Cr N过渡层和传统两步法这四种预处理对金刚石薄膜质量及其结合性能的影响。对预处理后硬质合金基体表面的形貌和粗糙度进行分析,并通过扫描电子显微镜、X射线衍射、拉曼光谱及洛氏硬度计表征金刚石薄膜的形貌、结构及性能。结果喷砂有利于在基体表面获得均匀分布的凹坑,提高金刚石的形核密度及均匀性,尤其改善了金刚石颗粒的团聚现象。Al Cr N过渡层虽然表面粗糙度不高,但有大量的凸起颗粒,提供了极佳的形核点,也在一定程度上优于传统两步法的表面金刚石形核密度。在金刚石薄膜沉积参数不变的前提下,传统两步法预处理获得的涂层结合力为HF4级,喷砂结合一步法和两步法获得的结合力分别达到了HF3级和HF1级,但Al Cr N过渡层的结合力表现较差。结论 Al Cr N过渡层能阻挡Co的扩散,提高了金刚石的纯度,但金刚石膜的内应力较大,结合力差。喷砂和刻蚀复合预处理不仅能提高金刚石的结晶质量和纯度,金刚石薄膜的结合力也得到改善。     

CVD金刚石膜的抛光研究进展

化学气相沉积的金刚石膜表面一般比较粗糙,需要经过抛光才能实现其具体的工业应用。本文介绍了各种抛光CVD金刚石膜的方法及近来研究进展,分析了各种技术的优缺点,并结合工业应用对CVD金刚石膜的抛光前景作了展望。     

甲烷浓度对金刚石薄膜织构的影响

采用热丝化学气相沉积法,以甲烷和氢气为反应气体,在硬质合金YG6基体上沉积了金刚石薄膜。研究了不同的甲烷浓度对金刚石织构变化趋势的影响。分别采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)对金刚石膜的表面形貌、织构形成进行了分析。结果表明:当基体温度为760℃,沉积气压为4×103Pa,甲烷浓度从1%到5%,都形成了(110)织构。但是,当甲烷浓度为3.3%时,有(100)织构。     

CVD金刚石厚膜刀具的研究进展与应用现状

金刚石厚膜片是采用化学气相沉积的方法制备出来的一种全晶质多晶纯金刚石材料,其物理性能和天然金刚石非常接近,而化学性质则完全相同。本文对CVD金刚石厚膜刀具的研究进展、制备方法、性能特点、切削试验结果及应用前景进行了简要的综述。     

热丝CVD金刚石涂层研究

用热丝法在硬质合金基体上沉积出金刚石涂层,对涂层的成分、结构、形貌、切削性能等进行了分析,结果证明用热丝法可获得较理想的金刚石薄膜。由于金刚石薄膜优良的使用性能和低成本,使其在工具应用方面有较广泛的市场,因此,加快其产业化的研究、扩大其产业规模,加快进入商品化阶段是CVD金刚石涂层的发展方向。     

Ce-Mn合金低温抛光CVD金刚石厚膜

研究开发了一种低温、快速抛光化学气相沉积（CVD）金刚石厚膜的新技术，该技术是利用金刚石（C）和溶碳活性很高的稀土金属铈（Ce）和过渡金属锰（Mn）所熔炼出的Ce-Mn合金之间的热化学反应，在一定的工艺条件下对金刚石厚膜进行有效的抛光。详细讨论了合金组成对抛光速率和表面粗糙度（Ra）的影响，并且用扫描电镜和拉曼光谱对抛光后的膜表面进行了表征。结果表明：Mn含量较低的合金从抛光率上和抛光效果上考虑都更有利于获得良好抛光的金刚石厚膜，Ce-3％Mn原子比组成的合金，在660℃、抛光2h的实验条件下，使膜的粗糙度由10．8490μm降低到3．6826μm，抛光速率达到37．5lμm/h。适量Mn的加入在降低抛光温度的同时仍然可以保证良好的抛光效果，优化了热化学抛光的工艺，而且该抛光技术不会破坏金刚石厚膜质量。     

Growth of Free-standing Diamond Films on Graphite Substrates with Ti Interlayers

DIAMOND has many remarkable chemical andphysical properties,such as extreme hardness,highthermal conductivity,high electrical resistively andexcellent optical transparency and so on.For diamond,approximately5.5ev is required to excite an electronfrom the valence band to the conduction band,compared with1.1ev for Si and0.7ev for Ge m.Therefore,Diamond is a wide band gap material.Furthermore,due to the high vibration energy of carbonatoms in diamond,the frequency of infrared absorptionis abn…