金刚石生长及加工过程中的力学行为研究

发布时间：2017-08-22 05:37

  本文关键词：金刚石生长及加工过程中的力学行为研究

  更多相关文章： 金刚石 激光切割 残余应力 有限元

【摘要】：金刚石集多种优异性能于一体,是目前应用前景广泛的材料之一。但是其高脆性阻碍了其应用前景。单晶金刚石的激光切割加工以及多晶金刚石的制备降温过程均会由于金刚石的脆性而对金刚石本身产生破坏和损伤。因此对金刚石生长及加工过程中的力学行为研究是十分重要的。本文使用断裂力学方法研究了金刚石裂纹扩展的机理。从能量角度分析了CVD单晶金刚石的脉冲激光切割的过程:从金刚石系统的输入能量、输出能量、能量损耗以及系统中的能量转换,将脆性破坏行为中用于生成裂纹的能量用统一形式表达,并根据断裂力学理论得到裂纹长度。对脉冲激光切割单晶金刚石的断裂行为开展研究。CVD单晶金刚石样品经脉冲激光切割处理后,使用激光共聚焦显微镜观测到脉冲激光烧蚀波纹与断裂形貌共存的现象,阐明了脉冲激光的热量分布不均匀导致晶体内的大范围缺陷及破坏的结论。使用拉曼光谱获得了切割后碎片的物相构成,验证了脉冲激光切割的理论分析。对多晶金刚石生长过程中的热应力进行仿真模拟。提出4条简化假设后使用ANSYS建立了膜基结构系统的有限元分析模型。模拟计算出CVD多晶金刚石生长过程的热应力为压应力,大小为0.5967~0.6406 GPa。分别研究了不同工艺参数对热应力的影响:选取不同制备温度、多晶金刚石膜半径、多晶金刚石膜厚度和基底材料分析其对多晶金刚石膜中热应力的影响规律,获得了保持热应力在较小的数值的生长工艺:制备温度需控制在1150±50 K范围内,生长用的基底半径控制在25.4 mm以下,厚度对其影响较大,在制备初期多晶部分厚度较小时需要重点关注,且基底材料应选择与多晶金刚石热学性能接近的材料的结论。进行了多晶金刚石残余应力的理论分析与实验验证。利用扫描电镜获得了CVD多晶金刚石的微观结构,验证了残余应力计算公式中系数选取有误差的理论,利用拉曼光谱特征峰位移计算出拉曼光谱热应力的数值大小为0.148 GPa,阐明了其与仿真结果的差异原因:(1)系数选取本身不准确;(2)有限元模型的简化假设导致有限元仿真结果的误差;(3)酸可能对多晶金刚石的微观结构发生变化,导致多晶金刚石膜中的残余应力发生变化,使计算结果发生误差。
【关键词】：金刚石 激光切割 残余应力 有限元
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ163
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-24
• 1.1 课题来源及研究背景9-11
• 1.2 国内外研究现状及分析11-21
• 1.2.1 国外研究现状及分析11-19
• 1.2.2 国内研究现状及分析19-21
• 1.3 国内外文献综述的简析21-22
• 1.4 本文的研究意义与主要内容22-24
• 1.4.1 本文研究意义22-23
• 1.4.2 本文主要内容23-24
• 第2章 实验方法及表征手段24-35
• 2.1 金刚石的制备24-30
• 2.1.1 单晶金刚石的制备24-27
• 2.1.2 多晶金刚石的制备27-30
• 2.2 金刚石的形貌表征方法30-31
• 2.2.1 激光共聚焦显微镜30-31
• 2.2.2 扫描电子显微镜（SEM）观察晶体形貌31
• 2.3 应力检测方法31-34
• 2.3.1 X射线衍射仪（XRD）测定残余应力31-32
• 2.3.2 拉曼（Raman）散射峰计算晶体应力32-34
• 2.4 本章小结34-35
• 第3章 CVD单晶金刚石裂纹扩展的机理研究35-44
• 3.1 引言35
• 3.2 单晶金刚石脆性破坏行为的理论分析35-36
• 3.3 激光切割能量分析36-42
• 3.4 单晶金刚石内部裂纹长度42
• 3.5 本章小结42-44
• 第4章 激光切割CVD金刚石断裂行为研究44-55
• 4.1 引言44
• 4.2 激光切割CVD金刚石处理44-45
• 4.3 激光共聚焦显微镜观测结果及分析45-47
• 4.4 Raman光谱测试结果及分析47-51
• 4.5 扫描电镜测试结果及分析51-54
• 4.6 本章小结54-55
• 第5章 多晶金刚石热应力的有限元仿真研究55-70
• 5.1 引言55
• 5.2 有限元模型的建立与实验验证55-60
• 5.2.1 有限元模型的简化假设55-56
• 5.2.2 ANSYS有限元模型的建立及结果56-60
• 5.3 ANSYS有限元仿真分析60-68
• 5.3.1 CVD多晶金刚石热应力仿真结果分析60
• 5.3.2 工艺参数对多晶金刚石膜热应力影响60-68
• 5.4 本章小结68-70
• 第6章 多晶金刚石膜残余应力的研究70-77
• 6.1 引言70
• 6.2 残余应力理论分析70-71
• 6.3 扫描电镜测试结果及分析71-72
• 6.4 拉曼光谱残余应力测试结果及分析72-76
• 6.5 本章小结76-77
• 结论77-79
• 参考文献79-83
• 攻读硕士学位期间发表的成果83-85
• 致谢85

，

本文编号：717371