《氬電漿弧處理金剛石自支撐膜強度提高的機制》是依託北京科技大學，由李成明擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：氬電漿弧處理金剛石自支撐膜強度提高的機制
- 依託單位：北京科技大學
- 項目負責人：李成明
- 項目類別：面上項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
超高音速飛行器紅外光學視窗承受強烈的氣動衝擊和熱震，光學級金剛石自支撐膜視窗的強度是極為重要的關鍵技術指標。本課題以真空氬電漿弧高溫處理可大幅度提高金剛石自支撐膜斷裂強度的實驗現象為基礎，主要研究內容包括：分析金剛石自支撐膜在氬電漿弧高溫處理過程中，膜中氮氫雜質原子鍵合特點及擴散規律；建立金剛石相在等離子弧高溫下的石墨化動力學模型；闡述晶界處非金剛石相在氬電漿弧處理過程中的演變規律及其與空位或雜質的相互作用關係；揭示氬電漿弧處理對金剛石自支撐膜強度的影響規律及作用機制。為最終通過氬電漿弧處理工藝的精確控制，實現金剛石自支撐膜斷裂強度的提高提供理論依據。本研究對於高性能大尺寸金剛石自支撐膜紅外視窗材料的製備及套用具有重要的理論與工程意義。
結題摘要
金剛石是高速飛行條件下使用的長波紅外視窗材料的最佳選擇，但是通過化學氣相沉積法製備的多晶自支撐金剛石膜在力學性能上遠低於單晶金剛石，這是由CVD金剛石膜中存在的大量晶界、非金剛石相以及各類缺陷所引起的。為了適應高速飛行時強烈的氣動衝擊對自支撐金剛石膜光學視窗強度的需要，本項目提出了使用高溫氬電漿弧快速熱處理的方法以提高自支撐金剛石膜的強度。通過確立恆定高溫型和高溫振盪型兩種氬電漿弧快速熱處理方案，研究了金剛石膜在高溫環境中的石墨化行為，並對金剛石膜中的雜質、缺陷以及非金剛石相的演變規律做了詳細探討。同時，將經過表面鍍覆鉬保護膜的金剛石在高溫氬電漿弧中熱處理，有效減緩了金剛石膜的石墨化進程。此外，研究了高溫氬電漿弧快速熱處理對拋光後的自支撐金剛石膜紅外光學性能的影響，並根據紅外吸收係數的變化，對金剛石膜的石墨化動力學進行了理論計算，得到了石墨化轉變的活化能。最終，揭示了高溫氬電漿弧快速熱處理使自支撐金剛石膜強度提高的機制。研究結果表明：金剛石膜在高溫氬電漿弧熱處理時，表面石墨化的起始溫度為1450℃，而內部發生巨觀石墨化的起始溫度為1850℃；短時（≤1min）高溫氬電漿弧熱處理，即使在溫度達1800℃時，金剛石膜的晶體質量也不會發生明顯下降，尤其是在表面塗覆鉬保護層後；高溫熱處理使金剛石膜中雜質、缺陷及非金剛石相含量均發生了變化，氮雜質有晶界偏聚的現象；高溫導致金剛石膜發生石墨化轉變，繼而造成紅外透過率降低，並據此計算得到金剛石膜的石墨化活化能為276kJ·mol-1；氬電漿弧快速熱處理後的自支撐金剛石膜強度得到提高，最高可達96.38%，這是因為高溫環境下金剛石晶界處生成了微晶石墨，從而引入了壓應力，實現了晶界處的強化，裂紋不能沿晶界擴展，使穿晶斷裂占據主導，因此提高了金剛石膜的力學強度。這一研究結果對金剛石長波紅外視窗材料的製備及其在超高音速飛行條件下的套用具有重要的理論與工程意義。
