等离子体喷射金刚石膜板力学性能基础研究
发布时间：2021-10-30 17:31
从上世纪90年代开始,CVD金刚石膜沉积技术快速发展,到目前为止,除部分力学性能外,CVD多晶金刚石膜的各种性能已经可以媲美天然金刚石,所以力学性能一直是金刚石领域的重要研究方向。受制于金刚石膜较低的沉积速率,力学性能研究中使用的金刚石自支撑膜厚度通常较薄。鉴于金刚石自支撑厚度对力学性能的巨大影响以及市场对大尺寸金刚石自支撑膜的巨大需求,金刚石自支撑厚膜的力学性能研究具有重要意义。本文力学性能的研究主要包括断裂强度和断裂韧性两个方面。为了便于区分,本文将直径大于80 mm,沉积厚度大于1 mm的金刚石自支撑厚膜称为金刚石膜板。使用直流电弧等离子体喷射化学气相沉积（简称等离子体喷射,Plasma Jet CVD）方法制备了多种厚度的多晶金刚石膜板用于断裂强度研究。原始厚度1.47 mm的金刚石膜板最大断裂强度可以高达996 MPa,这是该厚度多晶金刚石膜板断裂强度报道的最大值。研究表明高断裂强度主要成因在于多重孪晶转变生长方向,在竞争生长中小尺寸孪晶挤占大尺寸晶粒空间或填充晶粒间隙,形成晶粒镶嵌的形式。采用单边梁法在多重孪晶形貌的金刚石膜板试样中成功制备出符合断裂韧性国际标准要求长度范围...
【文章来源】：北京科技大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：154 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图２－１金刚石和石璗转变相图??ＣＶＤ金刚石膜的沉积机理如图２－２所示，其过程主要包括反应气体的输运、？??
?？＞〇〇０??Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ?（Ｋ）??图２－１金刚石和石璗转变相图??ＣＶＤ金刚石膜的沉积机理如图２－２所示，其过程主要包括反应气体的输运、？??激发以及活性物质的沉积。反应气体通入反应腔体内部并在气体输运过程中进行??混合。在输运和混合过程屮，反应气体需要经过反应激发区（包括高温热激发、??强电磁场激发等方式）。在经过激发区的过程中，激发区的能量传递给反应气体，??将气体解离成等离子体状态（其中包括电子、离子、分子、原子以及含氢和含碳??众多活性基团等）。气体被激发成等离子体状态后，在其内部会发生－系列复杂??的化学反应。在此之后这些物质被输运到基片表面，反应物质和基片之间不断发??生吸附和解离的动态过程。在合适的条件下，大部分石墨被选择性刻蚀掉，最终??在基片表面留下主要成分为金刚石的膜层，在长时间沉积之后可长成ＣＶＤ自支??撑金刚石膜。
离子体喷射化学气相沉积（ＤＣ?Ａｒｃ?Ｐｌａｓｍａ?Ｊｅｔ?ＣＶＤ，简称Ｐｌａｓｍａ?Ｊｅｔ?ＣＶＤ）法。??１）ＨＦＣＶＤ?法??ＨＦＣＶＤ法是目前常用的制备方法之一，图２－３是ＨＦＣＶＤ典型的装置示意??图。ＨＦＣＶＤ装罝通常使用耐高温钽丝或者钨丝作为热灯丝材料，用于提供热激??发所需要的高温环境，其温度通常为丨８００？２４００°Ｃ［２Ｗ１］。如图所示，原料气％??和ＣＨ４通过热灯丝之后，被分别热激发为原子氢和活性甲棊。因为热丝距离衬??底有一段距离，在等离子体中活性棊团输运到衬底之后，温度降低到沉积金刚石??膜所需的温度（７００？１１００?°Ｃ）。??严響ｆ１１？—＾??／?Ｐｕ＇??參＊：?ｆｌａｍｃｎｉ??、遞ｆｔｕｂｓｔｒａｔｃ??图２－３ＨＦＣＶＤ法示意图??６??
【参考文献】：
期刊论文
[1]CVD金刚石自支撑膜的研究进展[J]. 刘金龙,安康,陈良贤,魏俊俊,唐伟忠,吕反修,李成明. 表面技术. 2018(04)
[2]直流电弧等离子体喷射法制备金刚石自支撑膜研究新进展[J]. 李成明,陈良贤,刘金龙,魏俊俊,黑立富,吕反修. 金刚石与磨料磨具工程. 2018(01)
[3]氩氢摩尔比对直流电弧等离子体喷射法等离子体放电特征影响的计算[J]. 郭建超,刘金龙,朱涛,陈良贤,魏俊俊,李成明,王海兴. 工程科学学报. 2016(11)
[4]气体流量对TYUT型MPCVD装置沉积大面积金刚石膜的影响[J]. 郑可,钟强,高洁,黑鸿君,申艳艳,刘小萍,贺志勇,于盛旺. 人工晶体学报. 2016(10)
[5]环形天线-椭球谐振腔式MPCVD装置高功率下沉积高品质金刚石膜[J]. 李义锋,唐伟忠,苏静杰,安晓明,刘晓晨,姜龙,孙振路. 人工晶体学报. 2016(08)
[6]气体进出方式对MPCVD大面积金刚石膜均匀性的影响[J]. 钟强,黑鸿君,李晓静,张阿莉,申艳艳,刘小萍,于盛旺. 人工晶体学报. 2016(04)
[7]基于FLUENT软件直流电弧等离子体喷射法等离子体放电特征二维数值模拟[J]. 郭建超,刘金龙,闫雄伯,化称意,赵云,陈良贤,魏俊俊,李成明. 真空科学与技术学报. 2016(03)
[8]新型高功率MPCVD金刚石膜装置的数值模拟与实验研究[J]. 安康,刘小萍,李晓静,钟强,申艳艳,贺志勇,于盛旺. 人工晶体学报. 2015(06)
[9]金刚石自支撑膜拉曼光谱1420cm-1特征峰研究[J]. 朱瑞华,刘金龙,陈良贤,魏俊俊,黑立富,李成明. 人工晶体学报. 2015(04)
[10]热交换法蓝宝石晶体的性能测试分析[J]. 杨鹏,杜彦召,周林. 中国科技信息. 2014(22)
博士论文
[1]CVD金刚石自支撑膜的制备与热物理性能研究[D]. 朱瑞华.北京科技大学 2015
[2]新型高功率MPCVD装置研制与金刚石膜高效沉积[D]. 李义锋.北京科技大学 2015
[3]大尺寸高质量金刚石厚膜制备及氮掺杂对金刚石膜生长的影响研究[D]. 李明吉.吉林大学 2006
[4]纯铜双辉等离子渗钛、镍表面合金化研究[D]. 袁庆龙.太原理工大学 2004
硕士论文
[1]蓝宝石生长方法和晶向对晶体质量与性能影响规律研究[D]. 吕汉雄.哈尔滨工业大学 2017
[2]新型高功率MPCVD金刚石膜装置模拟及实验研究[D]. 安康.太原理工大学 2015
[3]氟化镁基底3～5μm红外增透保护膜的研究与制备[D]. 王大兴.长春理工大学 2014
[4]耐高温透红外AlON陶瓷的制备及性能研究[D]. 武琪.国防科学技术大学 2013
[5]热丝CVD大面积金刚石厚膜的制备研究[D]. 陈振环.湖南大学 2011
[6]红外窗口用蓝宝石晶体Y2O3/SiO2增透薄膜的设计与制备研究[D]. 吴智雄.哈尔滨工业大学 2009
[7]直流等离子喷射化学气相沉积法制备金刚石薄膜[D]. 朱国明.天津理工大学 2009
[8]球面金刚石厚膜制备技术研究[D]. 陆海泉.南京航空航天大学 2008
[9]直流热阴极PCVD方法制备金刚石膜及其微结构研究[D]. 齐海东.吉林大学 2007
[10]非化学配比的MgO·n Al2O3尖晶石透明陶瓷材料的制备及其物性研究[D]. 黄存兵.四川大学 2005
本文编号：3467132
【文章来源】：北京科技大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：154 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图２－１金刚石和石璗转变相图??ＣＶＤ金刚石膜的沉积机理如图２－２所示，其过程主要包括反应气体的输运、？??
?？＞〇〇０??Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ?（Ｋ）??图２－１金刚石和石璗转变相图??ＣＶＤ金刚石膜的沉积机理如图２－２所示，其过程主要包括反应气体的输运、？??激发以及活性物质的沉积。反应气体通入反应腔体内部并在气体输运过程中进行??混合。在输运和混合过程屮，反应气体需要经过反应激发区（包括高温热激发、??强电磁场激发等方式）。在经过激发区的过程中，激发区的能量传递给反应气体，??将气体解离成等离子体状态（其中包括电子、离子、分子、原子以及含氢和含碳??众多活性基团等）。气体被激发成等离子体状态后，在其内部会发生－系列复杂??的化学反应。在此之后这些物质被输运到基片表面，反应物质和基片之间不断发??生吸附和解离的动态过程。在合适的条件下，大部分石墨被选择性刻蚀掉，最终??在基片表面留下主要成分为金刚石的膜层，在长时间沉积之后可长成ＣＶＤ自支??撑金刚石膜。
离子体喷射化学气相沉积（ＤＣ?Ａｒｃ?Ｐｌａｓｍａ?Ｊｅｔ?ＣＶＤ，简称Ｐｌａｓｍａ?Ｊｅｔ?ＣＶＤ）法。??１）ＨＦＣＶＤ?法??ＨＦＣＶＤ法是目前常用的制备方法之一，图２－３是ＨＦＣＶＤ典型的装置示意??图。ＨＦＣＶＤ装罝通常使用耐高温钽丝或者钨丝作为热灯丝材料，用于提供热激??发所需要的高温环境，其温度通常为丨８００？２４００°Ｃ［２Ｗ１］。如图所示，原料气％??和ＣＨ４通过热灯丝之后，被分别热激发为原子氢和活性甲棊。因为热丝距离衬??底有一段距离，在等离子体中活性棊团输运到衬底之后，温度降低到沉积金刚石??膜所需的温度（７００？１１００?°Ｃ）。??严響ｆ１１？—＾??／?Ｐｕ＇??參＊：?ｆｌａｍｃｎｉ??、遞ｆｔｕｂｓｔｒａｔｃ??图２－３ＨＦＣＶＤ法示意图??６??
【参考文献】：
期刊论文
[1]CVD金刚石自支撑膜的研究进展[J]. 刘金龙,安康,陈良贤,魏俊俊,唐伟忠,吕反修,李成明. 表面技术. 2018(04)
[2]直流电弧等离子体喷射法制备金刚石自支撑膜研究新进展[J]. 李成明,陈良贤,刘金龙,魏俊俊,黑立富,吕反修. 金刚石与磨料磨具工程. 2018(01)
[3]氩氢摩尔比对直流电弧等离子体喷射法等离子体放电特征影响的计算[J]. 郭建超,刘金龙,朱涛,陈良贤,魏俊俊,李成明,王海兴. 工程科学学报. 2016(11)
[4]气体流量对TYUT型MPCVD装置沉积大面积金刚石膜的影响[J]. 郑可,钟强,高洁,黑鸿君,申艳艳,刘小萍,贺志勇,于盛旺. 人工晶体学报. 2016(10)
[5]环形天线-椭球谐振腔式MPCVD装置高功率下沉积高品质金刚石膜[J]. 李义锋,唐伟忠,苏静杰,安晓明,刘晓晨,姜龙,孙振路. 人工晶体学报. 2016(08)
[6]气体进出方式对MPCVD大面积金刚石膜均匀性的影响[J]. 钟强,黑鸿君,李晓静,张阿莉,申艳艳,刘小萍,于盛旺. 人工晶体学报. 2016(04)
[7]基于FLUENT软件直流电弧等离子体喷射法等离子体放电特征二维数值模拟[J]. 郭建超,刘金龙,闫雄伯,化称意,赵云,陈良贤,魏俊俊,李成明. 真空科学与技术学报. 2016(03)
[8]新型高功率MPCVD金刚石膜装置的数值模拟与实验研究[J]. 安康,刘小萍,李晓静,钟强,申艳艳,贺志勇,于盛旺. 人工晶体学报. 2015(06)
[9]金刚石自支撑膜拉曼光谱1420cm-1特征峰研究[J]. 朱瑞华,刘金龙,陈良贤,魏俊俊,黑立富,李成明. 人工晶体学报. 2015(04)
[10]热交换法蓝宝石晶体的性能测试分析[J]. 杨鹏,杜彦召,周林. 中国科技信息. 2014(22)
博士论文
[1]CVD金刚石自支撑膜的制备与热物理性能研究[D]. 朱瑞华.北京科技大学 2015
[2]新型高功率MPCVD装置研制与金刚石膜高效沉积[D]. 李义锋.北京科技大学 2015
[3]大尺寸高质量金刚石厚膜制备及氮掺杂对金刚石膜生长的影响研究[D]. 李明吉.吉林大学 2006
[4]纯铜双辉等离子渗钛、镍表面合金化研究[D]. 袁庆龙.太原理工大学 2004
硕士论文
[1]蓝宝石生长方法和晶向对晶体质量与性能影响规律研究[D]. 吕汉雄.哈尔滨工业大学 2017
[2]新型高功率MPCVD金刚石膜装置模拟及实验研究[D]. 安康.太原理工大学 2015
[3]氟化镁基底3～5μm红外增透保护膜的研究与制备[D]. 王大兴.长春理工大学 2014
[4]耐高温透红外AlON陶瓷的制备及性能研究[D]. 武琪.国防科学技术大学 2013
[5]热丝CVD大面积金刚石厚膜的制备研究[D]. 陈振环.湖南大学 2011
[6]红外窗口用蓝宝石晶体Y2O3/SiO2增透薄膜的设计与制备研究[D]. 吴智雄.哈尔滨工业大学 2009
[7]直流等离子喷射化学气相沉积法制备金刚石薄膜[D]. 朱国明.天津理工大学 2009
[8]球面金刚石厚膜制备技术研究[D]. 陆海泉.南京航空航天大学 2008
[9]直流热阴极PCVD方法制备金刚石膜及其微结构研究[D]. 齐海东.吉林大学 2007
[10]非化学配比的MgO·n Al2O3尖晶石透明陶瓷材料的制备及其物性研究[D]. 黄存兵.四川大学 2005
本文编号：3467132
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