【文章內(nèi)容簡介】 剛石厚膜的特征峰 cm1非常明顯，沒有 發(fā)現(xiàn)其它任何雜質(zhì)峰，表明金剛石厚膜的內(nèi)在質(zhì)量較高；從 (c)可以發(fā)現(xiàn)金剛石厚膜的特征峰 cm1非常明顯，在 1580 cm1附近有一個寬廣的凸起雜質(zhì)峰，表明金剛石厚膜的內(nèi)在質(zhì)量有一定的缺陷和非金剛石成分，都會引起紅外透射率的降低。 (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 160010000202103000040000 1000 1200 1400 16006000120211800024000 1000 1200 1400 1600202104000060000 (a) kW (b) kW (c) kW 圖 不同輸入功率時的金剛石厚膜 的拉曼 光譜 基于上述實驗結(jié)果，在實驗過程中觀察到 隨著等離子體炬輸入功率的增加，等離子體的溫度也不斷提高，而且在較高的等離子體功率下生長速率較大，但非常重要的是在三種等離子體功率下襯底表面的沉積溫度基本保持不變。通常情況下， CVD 金剛石厚膜的沉積速率是隨著襯底溫度的提高而提高。在等離子體沉積金剛石厚膜的過程中雖然等離子體溫度在徑向方向從中心到邊緣部位是不均勻的，而且這已經(jīng)引起了活性離子濃度從中心到邊緣的分布不均勻，但是這些變化對金剛石厚膜的沉積速率影響很小。等離子體的能量密度的分布對活性氣體徑向濃度和生長速率 的影響很大，因此活性氣體沿徑向濃度的變化比等離子體功率對生長速率的影響要小得多，而導(dǎo)致徑向尺寸變化和沉積速率變化的 主要原因是因為等離子體噴射沉積過程中電弧的中心溫度高，邊緣溫度低，決定生長速 度的平均晶粒尺寸(μm) 徑向距離 (mm) 波數(shù) (cm1) 強度(a.u.) 生長速率(μm /h) 徑向距離 (mm) 波數(shù) (cm1) 強度(a.u.) 波數(shù) (cm1) 強度(a.u.) 活性基 團(tuán)的濃度呈現(xiàn)中心部位高，而邊緣部位低的現(xiàn)象。 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。但是在任何一種等離子體功率下金剛石厚膜的晶粒尺寸幾乎保持不變，隨著輸入功率的增加金剛石晶粒尺寸也在不斷增加。 從拉 曼曲線圖 的變化可以看出，隨著等離子體炬輸入功率的增加，金剛石厚膜的內(nèi)在質(zhì)量先變好， 而后隨著等離子體炬輸入功率的進(jìn)一步增加，金剛石厚膜的內(nèi)在質(zhì)量卻變壞了。前者主要是因為隨著等離子炬輸入功率的增加，氣體離化率進(jìn)一步增大，原子氫的濃度增大，導(dǎo)致金剛石厚膜的質(zhì)量得到改善。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。當(dāng)冷的甲烷氣體從入口處進(jìn)入等離子炬時，氣體溫度較低，甲烷 CH4 向活性甲基 CH3 的轉(zhuǎn)換時間較長，只有部分已經(jīng)達(dá)到較高溫度外表面甲烷 CH4氣體快速參與了 ()式的反應(yīng)，生成了活性基團(tuán)甲基 CH3，促進(jìn)了金剛石厚膜的沉積，而另外一部分甲烷 CH4 氣體則隨著等離子炬輸入功率的增大，分解為各種活性含碳源基團(tuán)，如 C、 C C2H和 C2H2，參與了金剛石厚膜的沉積，而且碳源氣體的濃度也和等離子體氣體溫度的分布相一致。 因而，隨著等離子炬輸入功率的進(jìn)一步增加，原子氫的密度增加，甲 烷轉(zhuǎn)換的幾率增加。由公式（ ）可知，活性基團(tuán)甲基的濃度增大，金剛石厚膜的沉積速率增加，同時金剛石厚膜中的缺陷和無定形碳的含量也會有所增加，導(dǎo)致金剛石厚膜的內(nèi)在質(zhì)量有所下降，最終導(dǎo)致紅外透射率的降低。 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。所涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括 EDM 放電電流和脈沖寬度對表面形貌的影響規(guī) 律；機械拋光中砂輪粒度和拋光面積對拋光效率和表面缺陷的影響規(guī)律；生長面和成核面的不 同拋光階段中表面和結(jié)構(gòu)變化的影響規(guī)律；組合拋光過程中厚膜內(nèi)應(yīng)力的變化規(guī)律。 1. 電火花 實驗條件及方法 電火花拋光實驗是在蘇州沙迪克三光機電有限公 司的 YMT8 型 加工中心電火花設(shè)備上 進(jìn) 行的 ，如圖 所示，在工作臺上，拋光加工 CVD 金剛石厚膜過程如圖 所示。 CVD 金剛石厚膜表面導(dǎo)電層的沉積設(shè)備是北京儀器公司生產(chǎn)的 DH500 型濺射鍍膜機，如圖 所示。 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。 EDM 拋光加工過程中主要參數(shù)為：加工電壓為 45V，電極材料為銅，直徑為 216。10 mm ，脈沖寬度 200～ 1500μs，脈沖間隔為 70～ 500μs，放電電流為 5～ 20A；由于 CVD金剛石厚膜不導(dǎo)電，表面采用磁控濺射物理氣相沉積的方 法沉積 的銅膜，作為導(dǎo)電層，制備參數(shù)見表 。 表 銅導(dǎo)電膜的主要制備參數(shù) 本底 氣體壓強(Pa) 主軸轉(zhuǎn)速 (r/min) 濺射電流(A) 濺射電壓(V) 濺射時間(min) 晶控膜厚(mm) 2 103 68 360 200 2. 電火花拋光 實驗結(jié)果與討論 電流對表面形貌的影響 拋光前金剛石顆粒的分布連續(xù)，晶形完整，晶粒凸起，厚膜表面凸凹不平，晶粒有明顯的尖峰，測量表面粗 糙度值 Ra 為 23μm。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 (a)中金剛石厚膜的表面尖峰已消失，三維立體形貌圖片如 (b)所示，放電后表面沒有明顯的金剛石顆粒，表面覆蓋一層結(jié)構(gòu)疏松的黑色物質(zhì)。圖 (c)、 (d)中出現(xiàn)了較為明顯的電蝕坑，電蝕坑的形狀和大小不規(guī)則，坑表層覆蓋有黑色物質(zhì)，圖 (c)中的電蝕坑的直徑較小，深度較淺，圖 (d)中的電蝕坑的直徑較大，深度較深。隨著放電電流的增加，電火花對金剛石的電蝕作用增強，在放電電流較小時， 金剛石厚膜的表面較平坦，沒有明顯的電蝕坑。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。從圖 (e)可以看出，放 電表面留下的黑色物質(zhì)呈現(xiàn) 菜花狀及層片狀的 多孔結(jié)構(gòu)，可以通過機械拋光進(jìn)一步提高拋光效率和表面粗糙度。圖 (f)是 EDM 拋光后金剛石表面的斷口橫截面 SEM 圖片，可以看出表面層多孔的黑色碳化物具有一定厚度，說明金剛石表面經(jīng)過電蝕作用后表面結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變，黑色碳化物 通過 Raman 光譜分析，確定這些結(jié)構(gòu)的成分為石墨形式的碳，表明金剛石表面已經(jīng)石墨化。 (a) 5A (b) 表面 3D 圖片 (c) 10A (d) 20A (e) 20A (f) 20A橫截面結(jié)構(gòu) 圖 金剛石厚膜電火花拋光 后表面的 SEM 電流和脈沖寬度對拋光效率的影響 圖 (a)為脈沖寬度 380μs、脈沖間隔 250μs時放電電流與拋光效率的關(guān)系曲線，結(jié)果顯示拋光效率隨著放電電流的增大而增大。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)）。 0 4 8 12 160. 00. 20. 4 200 400 600 800 1000 (a) 拋光效率和放電電流 (b) 拋光效率和脈沖寬度 圖 電火花加工 拋光效率和放電電流、脈沖寬度的關(guān)系 曲線 放電電流 (A) 拋光效率(mm3 /min) 拋光效率(mm3 /min) 脈沖寬度 (μs) 3. 機械拋光 實驗條件及方法 機械拋光采用的設(shè)備是北京電加工研究所的聚晶金剛石鏡面拋光機床，型號是 BDJP903，如圖 所示。該設(shè)備可以實現(xiàn)對聚晶金剛石、立方氮化硼等超硬材料的拋光。表 是機床的主要技術(shù)參數(shù)。 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。該設(shè)備可以在 金剛石厚膜 表面進(jìn)行切割，消除生長裂紋對拋光工藝的影響，主要技術(shù)參數(shù)見表 所示。 表 激光器的主要技術(shù)參數(shù) 最大 切割 直徑 激光頻率 (Hz) 轉(zhuǎn)變電容 (μF) 燈壓范圍 (kV) 轉(zhuǎn)換氣源 100 1， 5， 40， 80 100， 200 0～ HeN2 清洗設(shè)備是采用石家莊恒威電源科技開發(fā)有限公司生產(chǎn)的 CSQ1200型超聲波清洗機，如圖 所示， 主要技術(shù)參數(shù)見表 所示 。 表 超聲波清洗機的主要技術(shù)參數(shù) 超聲功率 (W) 加熱功率（ W） 工作頻率 (kHz) 清洗槽尺寸（ mm3） 1200 2021 20， 25， 28 540380360 圖 金剛石鏡面拋光機 圖 開關(guān)型脈沖激光器圖 圖 超聲波清洗機 機械拋光過程中，采用鄭州磨料磨具磨削研究所生產(chǎn)的樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪， 100目和 120目兩種砂輪分別拋光，拋光磨削過程中分別加入金剛石微粉的粒度分別為 14μm、 10μm、 2μm，金剛石微粉是由北京新世紀(jì)北極星金剛石科貿(mào)有限公司生產(chǎn)的 , 采用超聲波清洗的方法對單面已經(jīng)電火花拋光過的金剛石厚膜進(jìn)行清洗，去 除表面磨削產(chǎn)生的污垢和雜質(zhì)，并用遼寧新賓滿族自治縣膠廠生產(chǎn)的 SB603 萬能膠膠粘劑，其特點是 A、 B 雙組分高性 能改性丙烯酸酯膠，按照1:1 的比例經(jīng)過充分?jǐn)嚢韬髮?EDM 拋光 后 的金剛石試樣粘貼在拋光盤底部，對已經(jīng)粘好的金剛石厚膜進(jìn)行單面研磨拋光，單面拋光完成后，使用丙酮溶液進(jìn)行浸泡，并使得金剛石厚膜脫落。 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。經(jīng)過電火花拋光加工后，生長表面尖端的棱角被拋平，開始表面粗糙度下降較快，成核面表面晶粒細(xì)，電火花拋光后表面相對比較平整。 形核區(qū)柱狀晶區(qū)生長方向 圖 金剛石厚膜生長過程示意圖 采用表面粗糙 度測量儀對電火花拋光后的成核面和生長面分別測量 Ra，結(jié)果測得成核面 Ra 為 ；生長面 Ra 為 。圖 (a)、 (b) 分別表 示電火花拋光后成核面和生長面的表面輪廓圖。 (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。生長面的輪廓曲線波動變化不是很明顯。顯然這種拋光結(jié)果比單一拋光效果好，效率高。形核面的致密度高，導(dǎo)致它在拋光后表面曲線波動較小，而生長面的粗大晶形與晶粒間存