氩等离子体弧处理金刚石自支撑膜强度提高的机制

Since the IR windows of hypersonic flight vehicles work under strong pneumatic and thermal shock, Fracture strength has become a crucial factor to decide the application of self-standing diamond films in this realm. This project is based on the fact that vacuum argon plasma arc high temperature treatment can greatly improve the fracture strength of self-standing diamond films. The researches are given below. During the high temperature treatment, bonding properties and diffusion rules of impurity atoms such as nitrogen and hydrogen in the films were analyzed; the dynamic model of graphitizing for the diamond phase was built; evolution of non-diamond phase on the interface and its interaction with vacancies or impurity atoms were explained; the mechanism of the enhancement were revealed. These results will provide Theoretical basis for final using of certain vacuum argon plasma arc high temperature treatment to improve the fracture strength of self-standing diamond films. This project has great theoretic and technological meaning to the fabrication and application of high-performance self-standing diamond film IR window with large size.

超高音速飞行器红外光学窗口承受强烈的气动冲击和热震，光学级金刚石自支撑膜窗口的强度是极为重要的关键技术指标。本课题以真空氩等离子体弧高温处理可大幅度提高金刚石自支撑膜断裂强度的实验现象为基础，主要研究内容包括：分析金刚石自支撑膜在氩等离子体弧高温处理过程中，膜中氮氢杂质原子键合特点及扩散规律；建立金刚石相在等离子弧高温下的石墨化动力学模型；阐述晶界处非金刚石相在氩等离子体弧处理过程中的演变规律及其与空位或杂质的相互作用关系；揭示氩等离子体弧处理对金刚石自支撑膜强度的影响规律及作用机制。为最终通过氩等离子体弧处理工艺的精确控制，实现金刚石自支撑膜断裂强度的提高提供理论依据。本研究对于高性能大尺寸金刚石自支撑膜红外窗口材料的制备及应用具有重要的理论与工程意义。

金刚石是高速飞行条件下使用的长波红外窗口材料的最佳选择，但是通过化学气相沉积法制备的多晶自支撑金刚石膜在力学性能上远低于单晶金刚石，这是由CVD金刚石膜中存在的大量晶界、非金刚石相以及各类缺陷所引起的。为了适应高速飞行时强烈的气动冲击对自支撑金刚石膜光学窗口强度的需要，本项目提出了使用高温氩等离子体弧快速热处理的方法以提高自支撑金刚石膜的强度。通过确立恒定高温型和高温振荡型两种氩等离子体弧快速热处理方案，研究了金刚石膜在高温环境中的石墨化行为，并对金刚石膜中的杂质、缺陷以及非金刚石相的演变规律做了详细探讨。同时，将经过表面镀覆钼保护膜的金刚石在高温氩等离子体弧中热处理，有效减缓了金刚石膜的石墨化进程。此外，研究了高温氩等离子体弧快速热处理对抛光后的自支撑金刚石膜红外光学性能的影响，并根据红外吸收系数的变化，对金刚石膜的石墨化动力学进行了理论计算，得到了石墨化转变的活化能。最终，揭示了高温氩等离子体弧快速热处理使自支撑金刚石膜强度提高的机制。研究结果表明：金刚石膜在高温氩等离子体弧热处理时，表面石墨化的起始温度为1450℃，而内部发生宏观石墨化的起始温度为1850℃；短时（≤1min）高温氩等离子体弧热处理，即使在温度达1800℃时，金刚石膜的晶体质量也不会发生明显下降，尤其是在表面涂覆钼保护层后；高温热处理使金刚石膜中杂质、缺陷及非金刚石相含量均发生了变化，氮杂质有晶界偏聚的现象；高温导致金刚石膜发生石墨化转变，继而造成红外透过率降低，并据此计算得到金刚石膜的石墨化活化能为276kJ·mol-1；氩等离子体弧快速热处理后的自支撑金刚石膜强度得到提高，最高可达96.38%，这是因为高温环境下金刚石晶界处生成了微晶石墨，从而引入了压应力，实现了晶界处的强化，裂纹不能沿晶界扩展，使穿晶断裂占据主导，因此提高了金刚石膜的力学强度。这一研究结果对金刚石长波红外窗口材料的制备及其在超高音速飞行条件下的应用具有重要的理论与工程意义。