论文部分内容阅读
作为应用于高超音速新型拦截导弹(3～10马赫)的头罩、恶劣环境下工作的红外光学装置(仪器)的窗口(或窗口保护涂层)以及在高温环境下工作的电子元件、金刚石膜涂层的刀具的高温切削等,CVD金刚石膜的氧化性能及断裂强度的研究具有很重要的现实意义。 本文围绕金刚石膜的氧化性能,系统地研究了CVD金刚石膜在空气中的氧化行为,氧化对金刚石膜的性能(光学、热学及断裂性能)的影响关系,详细地讨论了影响金刚石膜在空气中抗氧化能力的因素,从动力学的角度解释了CVD金刚石膜在空气中氧化机制,并且在金刚石膜表面溅射AlN薄膜使得金刚石膜的抗氧化温度提高到900℃。 论文首先采用热失重(TGA)和静态氧化法研究了CVD金刚石自支撑膜的高温氧化行为,发现CVD金刚石自支撑膜在700℃以上开始缓慢氧化,800℃以上氧化速率明显加快。利用本文的实验数据采用阿累尼乌斯(Arrhenius)经验公式计算出我们的金刚石膜的氧化激活能为220KJ/mol,与天然金刚石的氧化激活能相当,说明了CVD金刚石膜与天然金刚石有着相同的氧化机制;研究了CVD金刚石膜在空气中氧化组织形貌的变化。 采用在100Kw级DC Plasma jet CVD设备在气体循环条件下制备的Φ60mm高光学质量金刚石自支撑膜研究了高温氧化对CVD金刚石自支撑膜光学性能的影响。研究结果表明,抛光的金刚石膜在空气中780℃保温3min后,其红外和可见光的透过率没有明显的变化,在8-12μm的透过率下降不到3%,而在14μm以上的长波波段透过率反而有所增加。780℃保温20min金刚石膜的断裂强度才开始降低;尽管高温氧化对CVD金刚石自支撑膜的热导率影响相对较大,但仍然是任何其它材料所望尘莫及。这一结果表明,我们的高质量光学级CVD金刚石膜完全可以满足在800℃氧化环境的军事应用要求。高温氧化对CVD金刚石膜光学性能的影响主要是由于氧化造成表面粗糙度的迅速增加:而对机械强度和热导率的影响则主要是由于晶界的优先氧化,造成金刚石膜材料不连续性的增加所致。 论文从CVD金刚石膜的厚度、质量、取向等方面研究了这些因素对金刚石膜在空气中抗氧化能力的影响,首次讨论了金刚石膜的形核面与生长面在空气中的氧化速度的差异,金刚石膜生长面具有比形核面更强的抗化能力。 论文系统地研究了CVD金刚石膜氧化动力学,了解了金刚石膜在空气中氧化反应经历的全过程。表面吸附氧形成C(O)的过程是控制金刚石膜氧化速度的主要步骤;