【正文】
。 (9) 2021 年程序員初級；江蘇省人事廳。 (7) 2021 年春季江蘇省計算機三級（偏軟）考試合格；江蘇省高等學校計算機等級考試中心。 （ 5）太陽能自動跟蹤可控氣氛氮化爐的設計；揚州大學機械工程學院第二屆大學生機械創(chuàng)新設計大賽一等獎。 （ 3）微波傳輸 CuTi 復合金屬圓柱形波導薄膜的性能研究；第九屆江蘇省光學薄膜技術交流會議論文。 項目主持人、指導教師簽字，學院意見 項目主持人簽字： 指導教師簽字： 年 月 日 學院意見： （學院蓋章） 年 月 日 二、附件 研究成果目錄 （ 1） CVD 金剛石膜生長結構對紅 外透射性能的影響；第九屆江蘇省光學薄膜技術交流會議論文。 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，進一步提高測量精度 。 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，可以進一步減少因為放電產(chǎn)生的電腐蝕坑，降低表面粗糙度。 （ 2） 對 Y2O3/Diamond 涂層的紅外透射率進行了詳細分析研究，結果表明 ,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。 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。 （ 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，進一步驗證了內(nèi)應力對紅外透射率的影響機理。 （ 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。 （ 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） 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。 （ 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） 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。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 。 （ 3） 提高陽極噴嘴的表面質(zhì)量，冷卻水的溫度應設定在 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。 （ 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。 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、結論 圍繞光學級金剛石厚膜應用于紅外窗口的 應用 技術，本 次實訓項目 完成的主要工作包括 4 個方面： 在 30kW 的 DC PJCVD 沉積設備中，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 光學級金剛石厚膜。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構和各種表面缺陷所產(chǎn)生的散射和吸收作用。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到 %。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。 L1 mol (a) 結合界面 (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行了理化性能試驗，結果如表 所示，結果表明Y2O3涂層具有較好的理化性能，能夠適應紅外窗口的使用環(huán)境。 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，表面晶粒平均尺寸只有 34nm， 涂層表面晶粒結合致密，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。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應用要求。所以涂層的吸附力與襯底材料、襯底表面狀態(tài)、襯底的結晶狀況以及沉積工藝都有著很大的關系。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，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，而化學吸附則主要是分子間的化學鍵互相作用的結果。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)生的總應力表示為 t /)( 21 ?? ??S () 其中 t 表示為 Y2O3膜層的厚度。整個涂層的沉積是一層層逐步凝結、穩(wěn)定而形成的，由于 Y2O3蒸汽分子的溫度總是比金剛石厚膜襯底的溫度高，所以整個 Y2O3涂 層由涂層表面到金剛石厚膜襯底表面就會形成一個溫度梯度，造成下層分子對上層分子的拉應力，在整個膜層以及膜層與基底之間顯示出一種內(nèi)應力，其大小表示為 1a TEE FFT ???? () 其中 ? T 1表示為 Y2O3涂層的再結晶溫度與金剛石厚膜襯底溫度差。這種由于 Y2O3涂層與金剛石厚膜襯底的熱膨脹系數(shù)不同而引起的應力就是熱應力，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力時基底的溫度差。 圖 Y2O3 涂層 表面 的 SEM 涂層應力 減反射涂層應力是涂層機械性能的一個重要參數(shù)，過大的涂層應力是造成涂層龜裂、爆皮、脫落等問題的主要原因，一般可以分為三種，即熱應力、薄膜本身的內(nèi)應力、薄膜與外界所 形成的表面張力。隨著沉積速率 的增加，成核率隨之增加，膜密度隨之也增大。 基片溫度愈低，薄膜的密度愈小，隨著基片溫度的增加，基片上原子遷移率增大，晶格中缺陷減少，晶粒尺寸增大，因而密度也隨之增大。 圖 Y2O3 涂層厚度 的 SEM 涂層的致密度及應力分析 致密度 Y2O3涂層的致密度就是 Y2O3涂層的晶粒大小、密度以及能達到均勻化的程度，它直接影響 Y2O3膜的性能?？紤]到襯底金剛石厚膜的折射率為 ，所以沉積過程中薄膜的控制厚度為 860nm。 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。 111098765 43 21 圖 BAK760 型高真空鍍膜機 圖 e 型電子槍蒸發(fā)原理示意圖 2. 實驗結果與分析 涂層厚度的均勻性分析 嚴格控制好 Y2O3涂層的厚度是十分重要的，因為 Y2O3涂層的厚度將直接影響其它性能，從而影響金剛石紅外窗口使用的可靠性。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。蒸發(fā)過程中，沖入微量氧氣 ( 流量小于 10ml/min)，防止 Y2O3膜料氧化不完全。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件所組成，如圖所示 所示。 (a)1010mm2的透明金剛石樣品 (b) 多尺寸透明金剛石樣品 圖 拋光完成后的透明金剛石樣品 800 1600 2400 3200 4000203040506070 800 1600 2400 3200 4000203040506070 (a) 拋光前 (b) 拋光 后 圖 拋光 前 后的透明 厚膜成核面的紅外透射率曲線 三、 紅外減反射涂層的制備和透射性能研究 將雙面拋光的具有平整表面的金剛石自支撐膜放入丙酮溶液中進行超聲波波數(shù) (cm1) 透射率(%) 波數(shù) (cm1) 透射率(%) 清洗 30min，然后在 90℃ 下進行真空干燥 10min，取出后用乙醚和乙醇的混合液（ 1:3）擦洗金剛石表面，然后進行鍍膜。圖 (b)多 種尺寸的透明金剛石 厚膜 樣品 。 (a)拋光前的表面 (b)拋光 2小時后的凹坑 (c)拋光 8小時后的光潔表面 圖 生長面機械拋光不同階段的表面 SEM (a)拋光前的表面 (b)拋光 2小時后的表面 (c)拋光 8小時后的表面 圖 生長面機械拋光不同階段中 金剛石厚膜 的去除 過程示意圖 (a)AFM平面形貌 (b)AFM立體形貌 圖 生長面機械拋光后的 AFM (a) 拋光前的表面 (b) 拋光 2小時后的表面 (c) 拋光 5小時后的表面 圖 成核面機械拋光不同階段的表面 SEM (a) AFM平面形貌 (b) AFM立體 形貌 圖 成核面機械拋光后的 AFM 5. 組合拋光后紅外透射率的變化 拋光 厚膜 的表面形貌 和 內(nèi) 部結構都會對紅外透射率產(chǎn)生影響， 通過 EDM 和機械 組合 拋光工藝 對 厚膜進行了雙面拋光， 電火花拋光可以有效去除表面的尖狀棱角、疏松表面結構，機械拋光進一步提高了表面粗糙度，同時降低了金剛石厚膜的內(nèi)應力，減少了表面晶粒和內(nèi)部晶界對紅外光譜的反射和吸收，提高了紅外透射率。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，表面粗糙度達到 m，局部達到 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，進一步提高表面粗糙度，需要晶粒度更細的磨粒。圖 核面不同拋光階段的表面 SEM分析，形核面拋光過程中表面粗糙度下降很快 ， 有微裂紋的出現(xiàn)。相對于拋光前平整度大大提高，粗糙度明 顯得到了改善。圖中金剛石顆粒之間可見明顯的溝槽、縫隙 , 這是 金剛石厚膜競爭生長的結果 ， 可見局部仍然存在小的微孔。 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)