【正文】 () 其中 ? T 1表示為 Y2O3涂層的再結(jié)晶溫度與金剛石厚膜襯底溫度差。涂層沉積過程中，涂層材料蒸汽分子在基底表面受基體分子 作用而凝結(jié)，形成了涂層材料和襯底的附著力，該附著力主要有物理吸附和化學(xué)吸附兩種吸附方式，其中物理吸附來源于分子間的范德華力，而化學(xué)吸附則主要是分子間的化學(xué)鍵互相作用的結(jié)果。實驗過程中， 采用美國生產(chǎn)的 3M 膠帶垂直向上快速拉動，彈力計測量讀數(shù)顯示 Y2O3 涂層的附著力大小 為 ，表明附著力較高，能夠滿足紅外窗口的光學(xué)應(yīng)用要求。 (a) 結(jié)合界面 (b) 界面晶粒 大小 圖 金剛石襯底與 Y2O3 涂層的 界 面形貌 圖 金剛石襯底與 Y2O3涂層的 XRD 譜線圖 涂層的應(yīng)用性能分析 理化性能 考慮到金剛石紅外窗口使用環(huán)境對涂層理化性能的要求，根據(jù) GB132088對帶有涂層的金剛石厚膜進(jìn)行了理化性能試驗，結(jié)果如表 所示，結(jié)果表明Y2O3涂層具有較好的理化性能，能夠適應(yīng)紅外窗口的使用環(huán)境。2℃，相對濕度 90%～95%下保持 24 小時，表面 Y2O3 涂層沒有出現(xiàn)大于直徑Φ 1mm 變點，表明涂層耐濕熱性能、 抗浸蝕性能 較好，能夠滿足紅外窗口的使用要求。除了 Y2O3涂層和金剛石襯底的特征吸收峰以外，測量的透射曲線和仿真結(jié)果基本相近，和理論仿真數(shù)據(jù) %（中心波長 10μm 處）產(chǎn)生差距的主要原因來源于金剛石厚膜競爭生長過程中形成的粗大柱狀晶結(jié)構(gòu)和各種表面缺陷所產(chǎn)生的散射和吸收作用。 （ 2） 在實驗過程中發(fā)現(xiàn)， 隨著沉積室氣體壓強的增加，金剛石厚膜的晶粒尺寸和生長速度增大。磁場 的旋轉(zhuǎn)作用、氣體切向分配環(huán)的推動作用以及陽極通道中限束環(huán)對流場熱交換的阻擋作用是造成仿真溫度比實驗數(shù)據(jù)偏低的主要原因 。 （ 2）金剛石厚膜的成核面與生長面的初始表面粗糙度不同，成核面在機械拋光中具有初始粗糙度小、拋光效率高的特點；而生長面在機械拋光中具有粗糙度較大、拋光時間較長的特點。 （ 1） 金剛石厚膜的透射率等于兩個表面的透射率和內(nèi)部透射率的乘積。 （ 4）通過 25℃ 和 100℃ 時金剛石厚膜的激光 Raman mapping 和紅外透射率的測量，進(jìn)一步驗證了內(nèi)應(yīng)力對紅外透射率的影響機理。 （ 2） 對 Y2O3/Diamond 涂層的紅外透射率進(jìn)行了詳細(xì)分析研究，結(jié)果表明 ,在 中心波長 10μm 處，紅外透射率從涂層沉積前的 %提高到沉積后的%，提高了 %的幅度，在 8～ 12μm 中紅外波段的平均透射率從涂層沉積前的 %提高到沉積后 的 %，紅外透射率提高了 %的幅度，可以基本滿足紅外窗口對透波性能的要求。 紅外透射率的測量過程中，采用 633nm的 HeNe 雙束激光配分器 (BSDF)測量金剛石厚膜材料的紅外透射率，進(jìn)一步提高測量精度 。 （ 3）微波傳輸 CuTi 復(fù)合金屬圓柱形波導(dǎo)薄膜的性能研究；第九屆江蘇省光學(xué)薄膜技術(shù)交流會議論文。 (7) 2021 年春季江蘇省計算機三級（偏軟）考試合格；江蘇省高等學(xué)校計算機等級考試中心。
。 (9) 2021 年程序員初級；江蘇省人事廳。 （ 5）太陽能自動跟蹤可控氣氛氮化爐的設(shè)計；揚州大學(xué)機械工程學(xué)院第二屆大學(xué)生機械創(chuàng)新設(shè)計大賽一等獎。 項目主持人、指導(dǎo)教師簽字，學(xué)院意見 項目主持人簽字： 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日 學(xué)院意見： （學(xué)院蓋章） 年 月 日 二、附件 研究成果目錄 （ 1） CVD 金剛石膜生長結(jié)構(gòu)對紅 外透射性能的影響；第九屆江蘇省光學(xué)薄膜技術(shù)交流會議論文。 金剛石厚膜的拋光過程中，由于 EDM 加工引起的濺射現(xiàn)象嚴(yán)重，造成金剛石厚膜破裂的可能性很大，可以嘗試使用熱板拋光，石墨化的過程可以控制，可以進(jìn)一步減少因為放電產(chǎn)生的電腐蝕坑，降低表面粗糙度。 采用電子束蒸發(fā)鍍膜的方法 制備了 Y2O3減反射涂層，深入研究了涂層的使用性能和紅外透射率的變化規(guī)律。 （ 2） 三角波形表面、半圓波表面和矩形波表面等不同的拋光表面形貌均會對紅外光波透射率產(chǎn)生不同程度的影響，主要原因是因為不同表 面形貌對入射光波的反射和折射強度不同。 （ 4） 拋光后成核面在 中心波長 10μm 處的透射率為從拋光前的 %提高到拋光后的 %，提高了 %，在 8～ 14μm波段的紅外平 均透射率從拋光前的 %提高到拋光后的 %，提高了 %，實現(xiàn)了拋光加工對厚膜紅外透波性能的提高。 （ 1） 電火花拋光可以有效去除金剛石表面的尖端棱角，快速降低表面粗糙度，表面形成多孔狀的石墨層。 （ 3） 提高陽極噴嘴的表面質(zhì)量，冷卻水的溫度應(yīng)設(shè)定在 9～ 19℃ ，磁場線圈采用 20V的功率，可以有效地減少陽極噴嘴的積碳現(xiàn)象。 圖 Y2O3涂層的透射率曲線 圖 8～ 12μm 波段的紅外透射曲線 (a) AFM 平面形貌 (b) 3D 表面形貌 圖 Y2O3涂層的金剛石生長表面缺陷的 AFM (a) AFM 平面形貌 (b) 3D 表面形貌 圖 Y2O3涂 層的金剛石成核表面缺陷的 AFM 四、結(jié)論 圍繞光學(xué)級金剛石厚膜應(yīng)用于紅外窗口的 應(yīng)用 技術(shù)，本 次實訓(xùn)項目 完成的主要工作包括 4 個方面： 在 30kW 的 DC PJCVD 沉積設(shè)備中，采用正交實驗的工藝方法，在 Mo塊表面成功地制備了 1mm厚的 Φ60mm自支撐高質(zhì)量 光學(xué)級金剛石厚膜。沒有沉積涂層之前，在中心波長 10μm（波數(shù) 1000cm1）處的紅外透射率是%，在 8～ 12μm（波數(shù) 833cm1～ 1250cm1）波段中平均透射率達(dá)到 %。 L1 mol 圖 (b)表示 Y2O3涂層的生長過程，在金剛石表面開始生長時的 Y2O3晶粒平均尺寸為45nm左右，隨著涂層厚度的增加，涂層的晶粒 尺寸開始變細(xì)，表面晶粒平均尺寸只有 34nm， 涂層表面晶粒結(jié)合致密，在放大 8萬倍的情況下，表面沒有 發(fā) 現(xiàn)任何微小的孔隙、臺階和空穴等缺陷，表明涂層表面的平整度很好。所以涂層的吸附力與襯底材料、襯底表面狀態(tài)、襯底的結(jié)晶狀況以及沉積工藝都有著很大的關(guān)系。如果 Y2O3涂層表面張力為 1? ，涂層與 金剛石厚膜襯底 的表面張力為 2? ，則涂層由此而產(chǎn)生的總應(yīng)力表示為 t /)( 21 ?? ??S () 其中 t 表示為 Y2O3膜層的厚度。這種由于 Y2O3涂層與金剛石厚膜襯底的熱膨脹系數(shù)不同而引起的應(yīng)力就是熱應(yīng)力，表示為 [178] FsFTh ETaaS ???? )( () 式中 EF 表示 Y2O3 材料的楊氏模量； Fa 、 Sa 表示 Y2O3 涂層和金剛石厚膜襯底的熱膨脹系數(shù)； ? T 表示 Y2O3涂層沉積時和測量應(yīng)力時基底的溫度差。隨著沉積速率 的增加，成核率隨之增加，膜密度隨之也增大。 圖 Y2O3 涂層厚度 的 SEM 涂層的致密度及應(yīng)力分析 致密度 Y2O3涂層的致密度就是 Y2O3涂層的晶粒大小、密度以及能達(dá)到均勻化的程度，它直接影響 Y2O3膜的性能。 實驗過程中 Y2O3 涂層厚度的測量采用了石英晶體薄膜厚度監(jiān)控儀進(jìn)行測量，其原理是隨著薄膜厚度的改變，石英晶體的振蕩頻率將隨之改變。蒸鍍過程中膜厚的測量與監(jiān)控采用石英晶體膜厚監(jiān)控儀。真空鍍膜室主要由鐘罩、球面行星轉(zhuǎn)動基片架、基片烘烤裝置、磁偏轉(zhuǎn)電子槍、蒸發(fā)檔板及加熱裝置等構(gòu)件所組成，如圖所示 所示。圖 (b)多 種尺寸的透明金剛石 厚膜 樣品 。通過原子力顯微鏡觀察拋光后的成核面的清潔表面，可以看到原子力掃描二維圖形如 (a)圖，表面粗糙度達(dá)到 m，局部達(dá)到 m，三維圖形分析如圖 (b)所示，拋光后的表面整體非常平滑，局部仍然存在部分微小的缺 陷，進(jìn)一步提高表面粗糙度，需要晶粒度更細(xì)的磨粒。相對于拋光前平整度大大提高，粗糙度明 顯得到了改善。 0 2 4 60. 00. 20. 40. 60. 8 0 2 4 6 8 10012345 (a) 成核面表面粗糙度下降曲線 (b) 生長面表面粗糙度下降曲線 圖 金剛石厚膜表面粗糙度下降曲線圖 表面形貌的影響 經(jīng)過電火花加工拋光后，金剛石厚膜 生長表面的立體形 貌見圖 (b)， 表面有放電后電蝕留下的空隙和溝槽，拋光開始后 , 金剛石厚膜生長表面凸出的部位拋光時間 (h) 表面粗糙度(μm) 拋光時間 (h) 表面粗糙度(μm) 測量長度 (μm) 輪廓高度(μm) 輪廓高度(μm) 測量長度 (μm) 首先與磨盤上的金剛石磨粒接觸 , 在磨削力的作用下 , 生長表面凸出部位的疏松表層逐漸被磨平， 而大部分凹坑卻未能與磨盤接觸 ,見圖 (a)。 成核面的表面粗糙度 Ra 隨拋光時間的變化趨勢如圖 (a)所示。 (a) 成核面 (b) 生長面 圖 金剛石厚膜電火花拋光后的表面輪廓曲線 測量長度 (μm) 輪廓高度(μm) 測量長度 (μm) 輪廓高度(μm) (a) 成核面 (b) 生長面 圖 金剛石厚膜機械拋光后的表面輪廓曲線 圖 (a)、 (b)所示是金剛石厚膜的成核面及生長面機械拋光后的表面輪廓曲線，可以看出機械拋光后成核面的輪廓曲線變化是非常明 顯的，已經(jīng)看不到曲線的劇烈變化。 4. 機械拋光的結(jié)果與分析 表面粗糙度的影響 在金剛石厚膜的沉積過程中， 初期生長形核階段，金剛石晶核密度較高，晶粒生長速度基本一致，形成晶粒較細(xì)、分布均勻的形核面，隨著生長過程的進(jìn)行，其生長過程表現(xiàn)為競 爭生長方式，營養(yǎng)豐富的晶粒沿著柱狀晶開始“瘋長”，最后導(dǎo)致表面柱狀區(qū)表面粗大的晶粒表面， 生長面變得粗糙不平 ，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 所示。 表 機械拋光機床的主要技術(shù)參數(shù) 最大拋光 直徑 (mm) 主軸轉(zhuǎn)速 (r/min) 異步電機轉(zhuǎn)速(r/min) 主電機功率 (kW) 裝夾頭數(shù) （ unit） 金剛石砂輪尺寸 (mm) 1400 10 3 Ф25036 激光切割采用的設(shè)備是電子工業(yè)部十一所生產(chǎn)的 開關(guān)型脈沖激光器，如圖 所示。圖 (b)為放電電流 15A、脈沖間隔 70μs時，脈沖寬度與拋光效率的關(guān)系，結(jié)果顯示拋光效率隨著脈沖寬度的增大而增大，采用電火花加工摻雜金剛石厚膜的加工速度可以達(dá)到（采用量筒對金剛石厚膜拋光過程中的體積進(jìn)行測量得出數(shù)據(jù)）。在放電電流較大時，有明顯的電蝕坑出現(xiàn)，加工表面也變得較粗糙。分別采用 5A、 10A 和 20A的放電電流進(jìn)行電火花拋光，不同拋光電流產(chǎn)生的拋光效果是不同的。 圖 電火花加工中心 圖 金剛石厚膜 EDM 拋光過程 圖 磁控濺射鍍膜機 將金剛石厚膜放 入王水（ HNO3:HCl=3:1）進(jìn)行沸騰加熱，除去金剛石厚膜生長表面非金剛石成分的雜質(zhì)、成核表面產(chǎn)生的 MoC 和 Mo2C，時間 5 分鐘，將金剛石厚膜取出，并進(jìn)行烘干，除去表面的酸液，用離子水將金剛石厚膜沖洗干凈后，烘烤去除水分，濺射銅薄膜導(dǎo)電層，以便于進(jìn)行 EDM 拋光。 二、厚膜的電火花和機械組合拋光技術(shù) 為了降低表面粗糙度，獲得較高的紅外透射率，克 服單一拋光方法效率低下和表面質(zhì)量難以控制的缺點，實驗選用電火花拋光（ electric dicharge machining, EDM）和機械拋光相結(jié)合的組合拋光方法。而后者主要從金剛石厚膜沉 積工藝的內(nèi)在動力學(xué)加以解釋，隨著等離子體炬輸入功率的進(jìn)一步增加，等離子體的溫度也不斷提高，氫原子和上端流進(jìn)等離子炬的甲烷發(fā)生化合，產(chǎn)生活化的甲基，甲基濃度的大小對生長速度起著決定性作用，其反應(yīng)式 234 HCHCHH ??? () 氣體 溫度越低，甲烷的轉(zhuǎn)換效率越低，轉(zhuǎn)化時間越長。 同時還可以看出隨著等離子體炬輸入功率的增加，晶粒尺寸不斷變大。 (a) (b) kW (c) kW 圖 不同 輸入功率 時的 金剛石厚膜的 表面形貌 0 10 20 3020222426281 3 .6 5 kW1 7 .9 4 kW1 5 .4 0 kW 0 10 20 3010111213141516 W W W 圖 不同 輸入功率 時的 晶粒平均尺寸 圖 不同 輸入功率 時的 生長速率 圖 1000 1200 1400 1