金刚石膜氧化行为的TGA分析

采用热重分析法（ＴＧＡ）对直流等离子体喷射制备的金刚石膜在空气中的氧化行为进行了研究,结果表明：直流等离子体喷射制备的金刚石膜氧化活能为２２０ｋＪ／ｍｏｌ,与天然金刚石的氧化激活能相当。用扫描电子显微镜（ＳＥＭ）和Ｒａｍａｎ光谱对金刚石膜氧化前后的形貌和成分作了分析。结果表明：金刚石膜在空气中氧化优先刻蚀晶界和孔隙,孔隙不断增加,晶界瓦解,金刚石膜成为一个个柱状单晶粉末;金刚石膜氧化前后未出现石墨或其它中间产物。     

高质量自支撑CVD金刚石膜的氧化行为

研究了气体循环模式下的直流等离子体喷射CVD自支撑高质量金刚石厚膜高温氧化行为.结果表明,金刚石膜在大约650℃开始氧化,氧化速度随着温度的升高而快速增加;高温氧化将导致金刚石膜的力学、光学和热学性能的下降,多晶金刚石膜晶界的优先氧化损伤是造成其综合性能下降的主要原因.高质量的自支撑金刚石膜不适合在空气中700℃以上长时间工作,但在800℃以下短时间(3min内)工作是安全的.     

CVD自支撑金刚石厚膜的氧化动力学研究

为了了解直流等离子喷射CVD自支撑金刚石膜高温氧化机理,利用热失重的方法研究了金刚石膜在不同温度、不同氧浓度条件下的氧化反应.结果表明:CVD金刚石膜氧化反应中的反应指数大约为0.63,氧化反应的激活能为220kJ/mol.通过X-Ray和Raman分析可知,CVD金刚石膜的氧化经历3个过程:1)金刚石膜表面氢的解吸和氧的吸附;2)金刚石与氧发生化学反应;3)金刚石氧化产物(CO、CO2)的解吸.     

CVD金刚石自支撑膜的研究进展

金刚石膜以其最高的硬度、热导率、热震性能以及极高的强度等优点得到了越来越多的关注。自20世纪低压化学气相沉积技术成功制备出金刚石以来,在世界范围内,金刚石的制备技术及应用研究得到了快速发展。分别对国内外自支撑金刚石膜材料的制备技术及相关应用进行简要介绍,并讨论近几年我国在高质量金刚石膜材料制备技术方面取得的进展。目前主要的制备技术有热丝、直流辅助等离子体、直流电弧等离子体喷射、微波等离子体化学气相沉积(CVD)等方法。在小尺寸、高质量金刚石膜的制备技术基础上,21世纪初,国外几大技术强国先后宣布实现了大面积、高质量CVD金刚石膜的制备,并将其用于诸如红外光学窗口等高技术领域。我国也在CVD金刚石膜研发方面不断进步,先后掌握了热丝、直流电弧等离子体喷射、直流辅助等离子体CVD等合成大面积金刚石自支撑膜技术,近几年也掌握了915 MHz微波等离子体CVD技术,这些成果也标志着我国在高质量金刚石膜制备技术领域跟上了世界先进水平。     

直流电弧等离子体喷射在金刚石膜制备和产业化中的应用

综述了北京科技大学在直流电弧等离子体喷射CVD金刚石膜沉积系统研制和改进及大面积高质量(包括光学级)金刚石自支撑膜沉积的研究进展和产业化状况.用同样技术研发出了可用于复杂形状硬质合金工具金刚石膜涂层工具批量生产的强电流直流伸展电弧等离子体CVD金刚石膜涂层系统,讨论了利用该设备研发金刚石膜涂层硬质合金工具及其现场切削试验的结果.     

大面积光学级金刚石自支撑膜制备、性能及其在高技术领域应用前景

大面积光学级金刚石自支撑膜的制备和加工是近年来在CVD金刚石研究领域的最重要的技术进展之一;在军事和民用光学领域有非常重要的应用前景.综述了北京科技大学近年来在CVD金刚石膜光学应用领域的研究进展;给出了采用高功率直流电弧等离子体喷射(DC Arc Plasma Jet) CVD工艺制备大面积光学级金刚石自支撑膜的研究结果;对所制备的光学级金刚石自支撑膜的光学、力学(机械)、热学、微波介电性能、抗氧化、抗热震、抗砂蚀和抗激光损伤等方面的最新研究结果,及其在高新技术领域中的应用前景及前沿问题进行了讨论.     

沉积温度及其变化对金刚石膜内黑色缺陷产生过程的影响

用高功率直流电弧等离子体喷射方法研究金刚石膜沉积温度稳定性对膜中黑色缺陷产生的影响。结果表明,在温度稳定条件下制备的金刚石膜中,黑色缺陷的密度较低;当沉积温度大幅度变化时,在膜中产生大量黑色缺陷。形成大量黑色缺陷的原因是:沉积温度变化时,在金刚石晶粒的表面形成贯穿型孪晶,而在随后的生长过程中,这些孪晶的长大将抑制金刚石膜局部生长环境中活化的反应气体与其下晶界位置的金刚石组织接触,导致其生长缓慢并保留在金刚石膜中,从而形成大量黑色缺陷。     

高质量金刚石自支撑膜织构与断裂强度的关系研究

利用直流电弧等离子体喷射化学气相沉积在Mo基体上制备了不同织构的金刚石厚膜。用扫描电境(SEM)观察金刚石膜的形貌，用XRD表征晶体取向，用极图和取向分布函数法计算金刚石膜的不同织构，利用三点弯曲法测量金刚石膜的断裂强度。结果表明，金刚石膜的断裂强度随着衍射峰强度比值，I(111)／I(220)的增大而不断降低。{110}织构的金刚石膜具有最高的断裂强度。     

加氮对直流电弧等离子体喷射金刚石膜显微组织和断裂强度的影响

利用DcArcP1asmaJetcVD法制备搀杂氮的金刚石厚膜。研究了在反应气体cH。／Ar／H：中加入N!对金刚石膜显微组织和力学性能的影响。在固定H2、Ar、CH4流量的情况下改变N2的流量，即反应气体中氮原子和碳原子的变化比例(N／C比，范围从0．06～0．68)，同时在固定的腔体压力(4kPa)和衬底温度(800℃)下进行金刚石膜生长。用扫描电镜(SEM)观察金刚石膜形貌、用X射线衍射表征晶体取向，用三点弯曲的方法来测量金刚石膜的断裂强度。结果表明，氮气在反应气体中的大量加入，对直流等离子体喷射制备金刚石膜的显微组织和力学性能有显著的影响。     

大面积自支撑金刚石膜的机械研磨研究

用100 kW级直流等离子体喷射系统制备金刚石自支撑膜,采用机械研磨方法对其进行平坦化加工。实验研究了不同研磨盘转速和不同压力对研磨的影响,分别用扫描电镜、数显千分表和X射线光电子能谱仪对金刚石膜研磨前后的表面形貌、厚度和金刚石去除机理进行了表征和分析。结果表明:研磨的转速和压力对膜的表面形貌和磨削速率影响非常明显,研磨盘转速为40 r/min,压力为0.50 MPa时,研磨效果较佳,磨削速率达到了80.5μm/h;研磨后的金刚石表面未发现有铁元素存在,金刚石的去除机理主要为微切削和应力诱导的金刚石膜局部石墨化。     

并联导热结构的金刚石/铜基复合材料的制备

为提高金刚石/铜基复合材料的导热性能,在芯材表面预先化学气相沉积(CVD)高质量金刚石膜,获得柱状金刚石棒,再将其垂直排列,填充铜粉后真空热压烧结,制备并联结构的金刚石/铜基复合材料。分别采用激光拉曼光谱(Raman)与扫描电子显微镜(SEM)对CVD金刚石膜的生长进行分析,并通过数值分析讨论复合材料的热性能。结果表明:金刚石/铜基复合材料结构致密,密度为9.51g/cm3;CVD金刚石膜构成连续的导热通道,产生并联式导热,复合材料的热导率为392.78 W/(m·K)。     

低温等离子复合技术川Ⅱ号包衣金刚石性能及应用

本文简介了低温等离子复合技术,采用该技术可以在单晶金刚石颗粒表面获得强力结合的多层金属层、合金层及陶瓷涂层。该技术还可使金刚石表面涂层与金刚石之间形成强键结构过渡层。多层结构的包衣金刚石具有许多优点：提高了单颗粒金刚石抗压强度、高温条件下的抗氧化能力以及提高包衣金刚石与胎体材料之间的冶金结合能力等等。最后介绍了我们用低温等离子复合技术制备的川Ⅱ号包衣金刚石锯片刀关的使用效果。     

光学级金刚石自支撑膜及其镀制Y2O3增透膜后的高温抗氧化性

为了提高金刚石膜的红外透过率和高温抗氧化性能,采用纯钇(Y)金属靶,使用直流反应磁控溅射法在光学级金刚石自支撑膜表面制备了Y2O3薄膜.对比研究了光学级金刚石自支撑膜和Y2O3/Diamond/Y2O3复合窗口的高温抗氧化性能,及氧化前后样品表面形貌和红外透过率的变化情况.热分析、扫描电子显微镜和傅立叶变换红外光谱仪的研究结果表明Y2O3薄膜对光学级金刚石膜有非常好的抗氧化防护性能,在高达950℃的温度暴露30s后对光学级金刚石膜表面没有造成明显损伤,且仍能保持良好的增透效果(透过率超过80%).     

Structure and characteristics of Si-coated diamond grits

IntroductionThe properties of diamond tools are determined bythe quality of diamond abrasive and the adhesion betweenthe diamond grits and the bond[1-3].However,duringsintering process,metal bond containing graphitizing ele-ments seriously erodes diamond grits,which reduces thestrength of the diamond grits.Furthermore,diamondstend to be oxidated when the temperature reaches as highas 700℃.Therefore,sintering process of diamond toolsleads the diamond grits to oxidization,significantly de-creas…     

微波等离子体刻恂对WC—Co硬质合金基体金刚石薄膜附着力的影响

金刚石薄膜的附着力是影响CVD金刚石涂层刀具切削性能的关键因素,本文采用EACVD法在硬质合金（YG6）基体上沉积金刚石涂层;用Ar-H2微波等离子WC－C0衬底进行刻蚀处理,以改变基体表面与金刚石涂层间的界面结构,提高金刚石涂层的附着力;采用压痕法评估涂层附着力,借助SEM等观察刻蚀预处理方法对膜基界面的影响,并对此进行分析和讨论。     

灯丝间距对CVD金刚石厚膜生长的影响

采用热丝化学气相沉积方法制备CVD金刚石厚膜,通过改变灯丝间距和增加围挡,获得生长速度7.5 μm/h,热导率1028 W/（m·K）,结构致密,无孔洞,甚至透红光的CVD金刚石厚膜。      

Hydrophobic diamond films

The peculiarities of wettability of diamond that was obtained in a nanostructured form as ultrananocrystalline diamond (UNCD) films by deposition from a gas phase are considered. Surface hydrogenation leads to hydrophobicity: advancing contact angle θ for UNCD films reaches 106 ± 1° (for diamond single crystals θ = 93°). Even higher values of θ equal to 124 ± 3° were detected for nanoporous samples of UNCD, in which a graphite-like component was removed by etching. High hydrophobicity is achieved owing to the specific surface morphology of the nanostructured diamond (anisotropic, with high content of nanopores) and chemical modification, which on the whole provides for very low values of free surface energy of the films. It was shown that laser-drilled microholes in polycrystalline diamond also can enhance the hydrophobicity. The wetting behavior of the nanostructured surfaces agrees well with the Cassie-Baxter equation for heterophase porous surfaces. The oxidation and hydrogenation of UNCD films allows controlling of θ in considerably wider ranges compared to single crystal diamond.     

High-temperature oxidation behavior of nanocrystalline diamond films

In this study, high-temperature stability of nanocrystalline diamond films prepared by hot filament chemical vapor deposition (HFCVD) was investigated through differential thermal analysis/thermal gravimetric analysis (DTA/TGA), thermal analyses, visible and UV Raman analysis, and XPS analysis. Nanocrystalline diamond films with crystalline size of about 25 nm were obtained, which possess high density of grain boundaries with a high sp²-bonding of non-diamond carbon. In the initial stage of oxidation, grain boundaries with non-diamond carbon and graphite phase were preferentially etched away by oxygen, which carries on with a faster rate. Then, a slower oxidation rate was continued through reacting the carbon atoms in rigid diamond structure with oxygen. The activation energies for former and the latter, calculated from the thermal analysis, are 195 and 217 kJ/mol, respectively. Both the results of in-situ Raman spectra and XPS spectra indicate that the carbon with sp²-bonding significantly decreased with increasing temperature and soaking time.     

金刚石上不同晶体结构Y2O3膜性质与增透性能研究

目的研究不同晶体结构Y_2O_3薄膜的性质及其对金刚石增透性能的影响规律。方法采用反应磁控溅射的方法,通过控制氧氩比,在金刚石膜上制备立方与单斜两种不同晶体结构的Y_2O_3薄膜,随后系统研究两种Y_2O_3薄膜的性质与增透性能。结果在低氧氩比下获得了立方结构Y_2O_3薄膜,在高氧氩比下获得了单斜结构Y_2O_3薄膜,二者表面粗糙度分别为2.57、1.07nm。两种晶体结构均呈现出符合Y_2O_3原子配比的价态。立方和单斜结构的Y_2O_3薄膜硬度分别为17.4、12.6 GPa;弹性模量分别为248.1、214.6 GPa。双面镀制立方结构Y_2O_3薄膜后,金刚石膜在10.0μm透过率最大,达89.1%,增透24.5%;单斜结构Y_2O_3薄膜在7.4μm透过率最大,达90.4%,增透25.4%。结论通过控制氧氩比可以获得热力学稳定的立方Y_2O_3薄膜和亚稳态的单斜Y_2O_3薄膜。立方和单斜结构的Y_2O_3薄膜中O与Y原子价态均符合其化学计量比。立方结构Y_2O_3薄膜呈现出更高的硬度与弹性模量。两种结构对金刚石窗口均呈现出良好的增透效果。单斜结构Y_2O_3薄膜增透效果更佳与其较低的折射率有关,且相比于立方结构Y_2O_3薄膜,增透最佳值向低波长方向移动。