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【正文】 晶格間可以連續(xù)轉(zhuǎn)化； 凝結(jié)分子與基體分子間的電子相互置換或者凝結(jié)原子離化基體形成共價電子加強(qiáng)互相作用。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。 采用剝離法測定涂層附著力的方法，就是 測量 Y2O3涂層 從基片上剝離時所需要的力或者能量， 這種方法是在 Y2O3涂層的表面粘結(jié)上寬度一定的附著膠帶，然后以一定的角度對附著膠帶施加拉力，把附著膠帶拉下來后，根據(jù) Y2O3涂層被剝離的情況來判斷附著力的大小。實(shí)驗(yàn)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(jì)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。 涂層結(jié)合界面 圖 金剛石厚膜襯底與 Y2O3涂層的結(jié)合界面， 從 圖 (a)中可以發(fā)現(xiàn)界面區(qū)域結(jié)合緊密，沒有出現(xiàn)孔洞、分層、臺階錯落等缺陷， Y2O3涂層與金剛石拋光表面沒有明顯的分界面 ， Y2O3涂層鑲嵌生長于金剛石表面結(jié)構(gòu)中， 結(jié)合狀況良好 ， 這是 Y2O3涂層 與 金剛石厚膜襯底的 界面結(jié)合強(qiáng)度較高 的微觀反映。 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。圖 金剛石襯底與 Y2O3涂層的 XRD曲線，圖中金剛石的特征峰 (111)、 (220)顯著，而且 (111)峰的強(qiáng)度比 (220)峰的強(qiáng)度高 一些 ，同時 Y2O3涂層的特征峰 (111)、 (400)也有一定的峰強(qiáng)度， (400)峰的強(qiáng)度比 (111)峰的強(qiáng)度高，沒有出現(xiàn)其它雜質(zhì)強(qiáng)度峰，表明涂層 生長過程中， 襯底金剛石 厚膜 和 Y2O3涂層 的結(jié)合界面處沒有非晶碳的成分和 其它雜質(zhì)， Y2O3涂層 沉積過程中和 金剛石 厚膜同樣保持了層內(nèi)和表面的高純度 ，進(jìn)一步驗(yàn)證了金剛石厚膜的沉積工藝參數(shù)的優(yōu)選結(jié)果滿足提高紅外透射率的要求。 (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(yàn)，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。 表 氧化釔 涂層 理化性能測試 項(xiàng)目 耐堿性 耐酸性 耐鹽性 測試方法 樣品浸泡 24h 樣品浸泡 24h 樣品浸泡 48h 浸泡用溶液 NaOH 溶液 HCl溶液 NaCl溶液 溶液濃度 L1 mol L1 5% 樣品編號 01， 02， 03 04， 05， 06 07， 08， 09 測試結(jié)果 均無 Φ 1mm 變點(diǎn) 均無 Φ 1mm 變點(diǎn) 均無 Φ 1mm 變點(diǎn) 恒濕熱性能 根據(jù) GB132088 對光學(xué)零件的實(shí)驗(yàn)要求，在溫度 40177。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(diǎn)，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。 涂層的紅外透射率的測量與分析 紅外透射率的測量與分析 實(shí)驗(yàn)過程 中，采用優(yōu)選工藝的參數(shù)制備了一系列 Y2O3涂層，在雙面拋光后500μm 厚度的光整金剛石厚膜表面沉積 Y2O3涂層，研究其紅外透射率的變化規(guī)律。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 %。沉積 Y2O3涂層后紅外透射率的曲線如圖 所示，可以看出，在中心波長 10μm（波數(shù) 1000cm1）處的透射率達(dá)到 %，提高了 %，在 8～ 12μm（波數(shù)833cm1～ 1250cm1）波段中平均透射率達(dá)到 %，如圖 所示，紅外透射率提高了 %。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。如圖 所示，表面局部粗糙度雖然很小，Ra 的值只有 ，但是拋光后金剛石厚膜生長表面的缺陷（孔洞、臺階、位錯和馳豫等）仍然不能消除；進(jìn)一步分析表面信息，如圖 所示，這是成核表面拋光后的 AFM 圖，雖然整個拋光表面相對平整光滑，表面粗糙度 Ra 的值只有 ， 然而從圖中仍然可以看到金剛石厚膜競爭生長過程中留下的微透射率(%) 小結(jié)構(gòu)缺陷，這些表面缺陷是造成紅外光譜吸收和散射損失的主要內(nèi)部結(jié)構(gòu)，在中心波長 10μm（波數(shù) 1000cm1）處總的紅外透射率的損失達(dá)到 %左右。 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(shí)訓(xùn)項(xiàng)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(shí)驗(yàn)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。 透射率(%) 波數(shù) (cm1) （ 1） 在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，金剛石厚膜的沉積速率和晶粒尺寸隨甲烷濃度的增 加而增加，沉積質(zhì)量也將變差，同時甲烷濃度的提高，會導(dǎo)致陽極噴嘴表面產(chǎn)生結(jié)碳層，造成電弧噴射失穩(wěn)，從而影響金剛石厚膜的穩(wěn)定沉積，因此必須在生長速度和內(nèi)在質(zhì)量之間尋找平某種動態(tài)平衡。 （ 2） 在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)， 隨著沉積室氣體壓強(qiáng)的增加，金剛石厚膜的晶粒尺寸和生長速度增大。當(dāng)氣壓超過 時，電弧開始變得不穩(wěn)定，導(dǎo)致沉積無法進(jìn)行。 （ 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。 （ 4）綜合分析了仿真過程中溫度偏差的原因。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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)偏低的主要原因 。 選用電火花和機(jī)械拋光相結(jié)合的組合拋光方法，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(diǎn)， 對金剛石厚膜進(jìn)行了雙面拋光加工，改善了生長表面的粗糙度和成核表面的裂紋、孔洞等缺陷，提高了金剛石厚膜的透波性能 。 （ 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。 機(jī)械拋光 可以有效進(jìn)行金剛石厚膜的光整加工，有效去除電火花拋光留下的電蝕坑和石墨狀多孔表面 ，表面粗糙度下降較快，拋光效率高。 （ 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(jī)械拋光中具有初始粗糙度小、拋光效率高的特點(diǎn)；而生長面在機(jī)械拋光中具有粗糙度較大、拋光時間較長的特點(diǎn)。 （ 3） 機(jī)械拋光過程中，采用粒度號大的磨盤，增大正壓力，提高磨盤的轉(zhuǎn)速，選用合適粒度的磨盤或磨粒，均能提高拋光效率， X 射線衍射法可以有效測量拋光過程中殘余應(yīng)力的變化。 （ 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(shí)現(xiàn)了拋光加工對厚膜紅外透波性能的提高。 對雙面拋光的 光學(xué)級 金剛石厚膜的紅外透波機(jī)理進(jìn)行了深入的探討和分析，分別從表面形貌和內(nèi)部結(jié)構(gòu)兩方面分析研究了紅外透射率的影響規(guī)律。 （ 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。紅外光波在金剛石厚膜中的輻射功率隨著透射距離的增加而呈現(xiàn)指數(shù)次方減小。 （ 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?yàn)椴煌?面形貌對入射光波的反射和折射強(qiáng)度不同。 （ 3） 表面臺階、孔洞、裂紋、溝槽和內(nèi)應(yīng)力等結(jié)構(gòu)缺陷對紅外光波有較強(qiáng)的散射和吸收，引起紅外透射率的下降。 （ 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(yàn)證了內(nèi)應(yīng)力對紅外透射率的影響機(jī)理。 在中心波長 10μm處，透射率從 25℃ 時的 %降低到 100℃ 時的 %，減少 了 %， 8～ 14μm波段，平均透射率從 25℃ 時的 %降低到 100℃ 時的 %，減少 了 %。 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。 （ 1）深入研究了 Y2O3減反射涂層 的均勻性、致密度和應(yīng)力的影響因素以及工藝參數(shù)對附著力、理化性能和濕熱性能的影響程度，為光學(xué)級金剛石厚膜紅外窗口的應(yīng)用提供了可靠的基礎(chǔ)研究。 （ 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。 經(jīng)費(fèi)使用情況的說明 項(xiàng)目申請的總經(jīng)費(fèi) 萬元，詳細(xì)的項(xiàng)目總經(jīng)費(fèi)預(yù)算見下表： 支 出 科 目 金 額（萬元） 計(jì) 算 根 據(jù) 及 理 由 研究經(jīng)費(fèi) 測試分析費(fèi) ；出版物、差旅費(fèi) ；網(wǎng)絡(luò)文獻(xiàn)費(fèi) 實(shí)驗(yàn)材料費(fèi) 消耗氣體費(fèi)（甲烷、氫氣、氬氣） ；鍍膜材料 儀器設(shè)備費(fèi) 陽極噴嘴、氣體流量改造、沉積臺冷卻系統(tǒng)改造等 外協(xié)費(fèi) 夾具的加工、基體 材料的加工等 合 計(jì) 存在的問題、建議及其他需要說明的情況 本次實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目 為了推進(jìn)光學(xué)級金剛石厚膜應(yīng)用于紅外窗口關(guān)鍵技術(shù)的深入研究，將減反射涂層技術(shù)和金剛石厚膜 的 制備、組合拋光技術(shù)相結(jié)合，提高了光學(xué)級金剛石厚膜的內(nèi)在質(zhì)量和紅外透射率，取得了重要的研究成果，但是由于光學(xué)級金剛石厚膜應(yīng)用于紅外窗口關(guān)鍵技術(shù)的復(fù)雜性，以及研究時間和能力所限，下一步 開展的研究工作主要有以下幾個方面： 金剛石厚膜的制備過程中，考慮到金剛石厚膜的光學(xué)性質(zhì)與含氮量的關(guān)系緊密，因此對真空系統(tǒng)的密封、工作氣體的純度必須 進(jìn)一步加強(qiáng)檢測，降低真空室的氮含量，提高金剛石厚膜的透明度。 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?yàn)榉烹姰a(chǎn)生的電腐蝕坑，降低表面粗糙度。 金剛石厚膜的減反射涂層制備過程中，采用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行多層減反射膜系的設(shè)計(jì)和制備，進(jìn)一步改善金剛石厚膜的紅外透波性能。 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 。 其他需要說明的情況 就是在項(xiàng)目實(shí)施過程中，原來的主持人蘇發(fā)山同學(xué)畢業(yè)前后一直沒有時間參加該項(xiàng)目的研究，所以根據(jù)同組學(xué)生的參與情況和能力，項(xiàng)目主持人調(diào)整為朱瑞和沈兆俠同學(xué)，保證了本項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)計(jì)劃的順利完成。 項(xiàng)目主持人、指導(dǎo)教師簽字，學(xué)院意見 項(xiàng)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。 （ 2）光學(xué)級金剛石厚膜拋光表面缺陷對紅外透射率的影響；揚(yáng)州大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版） 2021 年 2 期，已錄用（有錄用證明）。 （ 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。 （ 4）智能跟蹤太陽能熱處理爐；第二屆江蘇省大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽一等獎。 （ 5）太陽能自動跟蹤可控氣氛氮化爐的設(shè)計(jì)；揚(yáng)州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院第二屆大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽一等獎。 (6) 20212021 學(xué)年校三等優(yōu)秀學(xué)生獎學(xué)金；揚(yáng)州大學(xué)。 (7) 2021 年春季江蘇省計(jì)算機(jī)三級（偏軟）考試合格；江蘇省高等學(xué)校計(jì)算機(jī)等級考試中心。 (8) 2021 年春季江蘇省計(jì)算機(jī)三級（偏硬）考試合格；江蘇省高等學(xué)校計(jì)算機(jī)等級考試中心。 (9) 2021 年程序員初級；江蘇省人事廳。 (10) 智能跟蹤太陽能熱處理爐；全國大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽二等獎。