【正文】 (10) 智能跟蹤太陽能熱處理爐；全國大學(xué)生機械創(chuàng)新設(shè)計大賽二等獎。 (6) 20212021 學(xué)年校三等優(yōu)秀學(xué)生獎學(xué)金；揚州大學(xué)。 （ 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；揚州大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版） 2021 年 2 期，已錄用（有錄用證明）。 金剛石厚膜的減反射涂層制備過程中，采用光學(xué)設(shè)計軟件進行多層減反射膜系的設(shè)計和制備，進一步改善金剛石厚膜的紅外透波性能。 （ 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。 （ 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的散射和吸收，引起紅外透射率的下降。 對雙面拋光的 光學(xué)級 金剛石厚膜的紅外透波機理進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。 機械拋光 可以有效進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。 （ 4）綜合分析了仿真過程中溫度偏差的原因。 透射率(%) 波數(shù) (cm1) （ 1） 在實驗過程中發(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。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）處的透射率達到 %，提高了 %，在 8～ 12μm（波數(shù)833cm1～ 1250cm1）波段中平均透射率達到 %，如圖 所示，紅外透射率提高了 %。 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 均無 Φ 1mm 變點 均無 Φ 1mm 變點 恒濕熱性能 根據(jù) GB132088 對光學(xué)零件的實驗要求，在溫度 40177。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)峰的強度比 (220)峰的強度高 一些 ，同時 Y2O3涂層的特征峰 (111)、 (400)也有一定的峰強度， (400)峰的強度比 (111)峰的強度高，沒有出現(xiàn)其它雜質(zhì)強度峰，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 ，進一步驗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。 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。 . 涂層的附著力及界面分析 附著力 附著力反映了 Y2O3涂層 與金剛石襯底之間的相互作用強度的大小，主要由兩個方面決定，即涂層材料與襯底的附著力和涂層材料之間的結(jié)合力。 內(nèi)應(yīng)力 Y2O3 涂層沉積過程中，蒸汽分子在金剛石厚膜襯底表面冷凝時具有一定的動能在基底表面上移動，當涂層降到一定溫度時，才能以一定晶格狀態(tài)穩(wěn)定下來，這個過程就是 Y2O3涂層材料的再結(jié)晶。 Y2O3涂層表面的 SEM照 片如圖 所示，電子束蒸發(fā)的平均粒徑為 ，晶粒較小，原子間隙很小， Y2O3 涂層平滑而且色澤光亮，表面晶粒清晰可見，晶粒連接完整，沒有出現(xiàn)任何孔洞、堆積、凸起的缺陷，表明 Y2O3涂層的致密度較好。電子束蒸發(fā)沉積的 Y2O3涂層的晶粒尺寸隨著沉積過程中吸附原子或原子團在基片表面遷移 率的增加而增加，主要取決于基片溫度、沉積速率、氣相原子在平行基片方面的速度分量、基片表面粗糙度和化學(xué)活性等因素。實驗 過程中發(fā)現(xiàn)如果 Y2O3涂層偏薄，則膜的連續(xù)性較差，呈島狀或網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，透射率沒有變化或者變化很小； 如果 Y2O3涂層偏厚，則會導(dǎo)致薄膜與襯底金剛石厚膜之間的附著力減弱。實驗制備 Y2O3 減反射薄膜的條件是：氣體壓強為 103Pa，選擇 ～ ，襯底的烘烤溫度為 250℃ ，蒸距 L 為 90 ㎝。將粒徑 Ф8～ 10mm 左右的低折射率材料氧化釔 Y2O3（折射率 n=）塊狀料放入坩堝內(nèi)，在本底氣體壓強下，對膜料進行電子束轟擊蒸發(fā)。 圖 (a)樣品拋光前后的紅外透射率變化 曲線如圖 所示， 其中 圖 (a)、 (b)分別是拋光前、拋光后的紅外透射率曲線，可以看出在 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波段的平均紅外透射率 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 ?；灸軌蜻_到現(xiàn)代光學(xué)器件對材料表面粗糙度的應(yīng)用要求，同時也說明所采用的組合拋光方法可以有效地對金剛石薄膜進行表面拋光處理且能達到紅外光學(xué)應(yīng)用的要求。采用北京本原公司生產(chǎn)的 CSPM4000型 原子力掃描探針顯微鏡對拋光后的生長表面進行分析，得到的原子力顯微表面形貌二維圖 形如圖 (a)所示，表面平整光滑，三維圖形分析如 圖 (b)所 示 ,表面局部可以看到有微小凹坑 ,可能是 由于放電電流局部過大電蝕后留下的痕跡 。隨著拋光時間的延長 , 大量低位顆粒也開始被磨削 , 生長表面出現(xiàn)很多孔洞和裂紋，金剛石厚膜厚度顯著減少 , 見圖 (c)。拋光金剛石厚膜成核面時，在剛開始 2h 內(nèi) Ra 是下降比較快的，主要是由于表面多孔性的石墨很快被拋掉的原因，隨后的變化就比較緩慢了。生長面的輪廓曲線波動變化不是很明顯。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，電火花拋光后表面相對比較平整。該設(shè)備可以在 金剛石厚膜 表面進行切割，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。 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。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一步提高拋光效率和表面粗糙度。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)。 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。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。當冷的甲烷氣體從入口處進入等離子炬時，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)，生成了活性基團甲基 CH3，促進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，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。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。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 下，從中心平均尺寸的 ，平均為 ；在 下 ，中心平均尺寸 ，邊緣平均尺寸 ，平均為 ；在 下，中心平均尺寸為 ，邊緣平均尺寸為 ，平均為 。因而輸入功率對金剛石厚膜生長過程中的表面形 貌、晶粒尺寸、內(nèi)在質(zhì)量和紅外透波性能等均有較大的影響。在進行流場的分析時，只考慮了等離子射流在一定的壓力下從進氣口經(jīng)過等離子炬陽極通道噴射到陽極噴嘴的傳熱過程，忽略了在等離子體射流氣體流動過程中磁場線圈對射流產(chǎn)生的攪拌作用和氣體分配環(huán)切向的旋轉(zhuǎn)作用等因素的影響，這些結(jié)構(gòu)上的設(shè)計都能夠加速等離子體射流在流動通道中的熱量交換，尤其是對流和輻射作用的增強；同時陽極通道中限束環(huán)對流體 的阻擋作用也是非常有益于等離子體射流在陽極通道中的熱交換，因而造成了襯底仿真的溫度值比實驗測量值低的結(jié)果，另外有限元理論的自身誤差和建模時的各種假設(shè)也會波數(shù) (cm1) 強度(a.u.) 波數(shù) (cm1) 強度(a.u.) 波數(shù) (cm1) 強度(a.u.) 引起這種差異。基片的溫度較低時該邊界層就越厚，在邊界層內(nèi)的傳質(zhì)和傳熱過程是一個擴散控制過程，而非強制對流過程。 圖 XRD曲線，圖 (a)曲線表明，厚膜均為多晶結(jié)構(gòu)，特征衍射 峰 (111)、 (220)、 (311)清晰可見，而且有較多的雜質(zhì)碎峰出現(xiàn)，最終呈現(xiàn)出較強的 (220)織構(gòu)；而 圖 (b)曲線 則表明，雖然特征衍射峰(111)、 (220)、 (311)清晰可見，沒有出現(xiàn)任何雜質(zhì)碎峰，但是 (111)晶面的衍射強度發(fā)生了變化，而 (111)衍射強度均迅速增加， (220) 衍射強度均迅速減小，最終呈現(xiàn)出 (111)織構(gòu)，膜的內(nèi)在質(zhì)量很好，純度高；圖 (c)是 1000℃ 時金剛石厚膜的 XRD曲線，特征衍射峰 (111)、 (220)、 (311)清晰可見，同時伴有較多的雜質(zhì)碎峰， (111)和 (220)晶面的衍射強度發(fā)生了變化，而 (111)衍射強度更強， (220)衍射強度更小，最終呈現(xiàn)出比較強的 (111)織構(gòu)。 可以看出氣體壓強的變化對電弧穩(wěn)定生長金剛石厚膜至關(guān)重要，但是對金剛石厚膜內(nèi)在質(zhì)量的影響很小，拉曼峰的漂移是由于金剛石厚膜的內(nèi)應(yīng)力較大和金剛石厚膜與鉬襯底的熱膨脹系數(shù)不同引起的。生長的金剛石厚膜的徑向平均晶粒尺寸如圖 所示，晶粒平均尺寸的大小采用 SEM 標尺進行統(tǒng)計。 隨著壓強的進一步增加，當氣體壓 強達到 時， 從圖 (c)中可以看到 電弧開始變得不穩(wěn)定，導(dǎo)致沉積參數(shù)漂移，甚至無法進行正常沉積。因此在正交實驗過程中，保持甲烷濃度 %、輸入功率 不變，研究不同氣體壓強下金剛石厚膜質(zhì)量的變化規(guī)律。 (a) 1% (b) 2% (c) 3% 圖 不同 甲烷濃度 下金剛石厚膜的表面形貌 (a) 1% (b) 2% (c) 3% 圖 不同 甲烷濃度 下金剛石厚膜的斷口表面形貌 1000 1200 1400 160040008000120211600020210 1332.5 1000 1200 1400 16000150003000045000600007500090000 1000 1200 1400 1600 1800600080001000012021 (a) 1% (b) 2% (c)3% 圖 不同甲烷濃度下金剛石厚膜的 拉曼 光譜 波數(shù) (cm1) 強度(a.u.) 波數(shù) (cm1) 強度(a.u.) 波數(shù) (cm1) 強度(a.u.) 氣體壓強的影響 反應(yīng)室的氣體壓強主要是由通入反應(yīng)室中氣體的總流量與被真空系統(tǒng)抽走的氣體量來控制，是氣體流動的動態(tài)平衡過程。圖 (a)中可以看出金剛石厚膜在 強度很高，沒有出現(xiàn)任何 石墨及無定型碳的特征碎峰，說明金剛石厚膜的內(nèi)在純度很高；圖 (b)中金剛石的特征譜峰 ，說明金剛石厚膜的主要 成分仍然是通過 SP3鍵進行結(jié)合的金剛 石膜。圖 是 在 4kPa、 900℃ 、 、不同甲烷濃度下制備的金剛石厚膜的表面形貌，從掃描電鏡的照片 （相同放大倍數(shù) 1000）可以看到，圖 (a)中金剛石表面晶粒刻面清晰可見，晶形棱角分明，晶粒之間結(jié)合緊密，無任何裂紋；圖 (b)中在相同的放大倍 數(shù)下（ 1000），表面晶粒尺寸比 1%甲烷濃度的尺寸大，晶形規(guī)整，表面棱角粗大，沉積金剛石厚膜經(jīng)過王水處理后的顏色呈現(xiàn)暗灰色；圖 (c)中表面晶粒尺 寸更加粗大，而且在膜的表面可以看出局部有碳點存在。根據(jù)四因素三水平選正交表 L9 , 具體 內(nèi)容 如表 所示 ， 每個因素數(shù)值的選擇依據(jù)簡述如下： (1) 甲烷濃度：在金剛石厚膜生長過程中甲烷濃度過高會導(dǎo)致石墨含量的增多和透射率的下降，甲烷濃度過低又會導(dǎo)致