專利名稱：一種提高自支撐金剛石膜強度的方法
技術領域：
本發(fā)明屬于大面積高質量金剛石膜制備技術領域，特別是提供了一種提高自支撐
金剛石膜強度的方法，以應用于自支撐金剛石膜的后處理。
背景技術：
盡管金剛石膜在許多性能方面可以和天然金剛石膜媲美，但是，其斷裂強度比天 然金剛石差許多，幾乎低將近一個數量級。天然金剛石的斷裂強度最高可達3000MPa，而目 前的CVD金剛石膜的斷裂強度一般從200MPa-l. 4GPa，大多數集中在400-700MPa，這一低性 能制約著金剛石膜在許多領域的應用，特別是在金剛石膜的工具應用上尤其嚴重。因此，如 何提高金剛石膜的斷裂性能是目前許多科研人員十分關心的問題，并開展了許多探索性的 研究。 影響金剛石膜的斷裂性能的因素很多，通常CVD金剛石膜斷裂性能主要與以下三 類因素有關(l)樣品的幾何尺寸、測試方法、加工損傷、表面粗糙度等外在因素；(2)金剛 石膜的晶體結構和取向等本征因素；(3)金剛石膜內部缺陷(氣孔、雜質、晶界、裂紋、位錯 等)顯微結構因素。 Sussma皿等 (R. S. Sussma皿，J. R. Brandon, G. A. Scarsbrook， C. G. Sweeney, T. J. Valentine, A. J. Whitehead, C. J. H. Wort， Properties of bulk polycrystalline CVDdiamond， Diamond and Related Materials,1994，3(4_6) :303-312. T. J. Valentine, A. J. Whitehead, R. S. Sussmann， C. J.H.Wort， G. A. Scarsbrook， Mechanical propertymeasurements of bulk polycrystalline CVD diamond, Diamond and Related Materials, 1994， 3 (9) :1168-1172.)研究了厚度對斷裂強度的影響，隨著金剛石膜厚度的 增加，金剛石膜的斷裂強度降低，造成這種現象的原因是(l)金剛石膜的斷裂強度取決于 膜中較大尺寸的裂紋，而試樣中具有一定長度裂紋的幾率與試樣體積呈正比，試樣越厚，所 含缺陷幾率越高，從而導致斷裂強度降低；(2)在三點彎曲實驗中，加載的金剛石膜下邊具 有最大的張應力，而上面(加載面)具有最大壓應力的線性應力狀態(tài)，相應地厚膜中的裂紋 尖端的應力將顯著高于薄膜的應力，從而導致厚膜試樣的斷裂強度低于薄膜的斷裂強度； (3)金剛石膜隨著膜厚的增加，內應力從壓應力狀態(tài)轉變?yōu)槔瓚顟B(tài)，也導致厚膜的斷裂 強度低于薄膜的斷裂強度。 金剛石膜也屬于脆性材料，研究表明(Lu F X，Fu Y L，Zhong G F， et al. Fracture behavior of thick diamond films prepared by DC arc plasma jet method.Diamond and Related Materials, 1998， 7 :733 736)金剛石膜的斷裂強度隨晶粒尺寸的減小而增 大，像陶瓷材料一樣晶粒大小與斷裂強度符合Hall-Petch關系，見下式
o f = 86+3507d—1/2 (MPa) Yang等 (Yang J X， Li C M， Ui F X， et al. Microstructure and fracture strength ofdifferent grades of free—standing diamond films deposited by a DC Arc Plasma Jetprocess. Surface and Coating Technology, 2005， 192 :171 176)石開究了
3不同質量級別的金剛石膜的斷裂強度，結果發(fā)現柱狀晶組織會嚴重降低金剛石膜的斷裂 強度，在光學級金剛石膜中存在柱狀晶組織其斷裂強度不高于250MPa ;工具級金剛石膜斷 裂主要是穿晶斷裂，低溫沉積的光學級金剛石膜斷裂主要是沿晶斷裂，高溫沉積的金剛石 膜主要是穿晶斷裂。張軍軍等(影響CVD金剛石膜斷裂性能的原因分析.寧夏工程技術， 2002,1 (3) :250 253)研究了顯微結構對金剛石膜斷裂強度的影響，結果表明金剛石膜 的生長表明存在許多顯微裂紋與空洞，以及局部晶粒失穩(wěn)生長——"瘋長"的粗大晶粒等缺 陷，這些缺陷常常成為裂紋源而顯著降低金剛石膜的斷裂性能。陳良賢等(拋光對CVD金 剛石自支撐膜斷裂強度的影響，理化檢驗(物理分冊)2008(44)7 :339-342)研究了拋光前 后金剛石自支撐膜強度的變化，結果表面金剛石自支撐膜粗糙表面所帶來的"V"形缺口 會降低金剛石自支撐膜的斷裂強度，而且隨著膜厚的增加降低的越明顯，通過拋光去除粗 糙表面，可以有效提高金剛石自支撐膜的斷裂強度。文獻(Lu F X， Liu J M， ChenG C， et al…Oxidation behavior of high quality freestanding diamond films by high power arc jetoperating at gas recycling mode. Diamond and Related Materials,2004，13 : 533 538)研究了高質量金剛石自支撐膜氧化對斷裂強度影響，結果表明在80(TC以下， 金剛石自支撐膜的斷裂強度幾乎沒有變化，在更高的溫度，金剛石自支撐膜的斷裂強度迅 速下降直至為零，這主要是氧化優(yōu)先在晶界處發(fā)生刻蝕，致使存在很小的力晶界就發(fā)生嚴 重破壞。 因此，提高金剛石自支撐膜強度主要是通過強化制備過程，即控制組織結構，減少 膜中的各種缺陷。此外，還可通過后處理的方法而實現。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種利用等離子體電弧高溫處理以提高自支撐金剛石膜 強度的方法，有效提高金剛石自支撐膜強度，以防止在拋光和使用中金剛石膜的破裂。
本發(fā)明實現目的的技術方案是用真空電弧等離子體對金剛石自支撐膜進行處 理，包括下述步驟 (1)利用真空電弧等離子體使金剛石自支撐膜升溫，溫度超過1400°C ;
(2)保持真空電弧等離子體持續(xù)10-15分鐘；
(3)在1450°C以上進行退火；
(4)關斷弧電源，在真空中自然冷卻。 進一步的，上述步驟(3)中，優(yōu)選退火溫度為145(TC到1700°C。 進一步的，上述步驟中，優(yōu)選氬等離子體弧對金剛石自支撐膜進行處理。 進一步的，上述處理過程中，摻入少量的氫氣體積比為5-10%，以避免真空中殘余
氧氣的副作用。 本發(fā)明的優(yōu)點是 1、利用等離子體電弧可使金剛石自支撐膜在短時內迅速升高到所需的溫度； 2、在電弧引燃前的真空阻止了空氣中的氧氣對金剛石自支撐膜的刻蝕； 3、利用氬等離子體弧有效克服了伸長和擴展電弧的不穩(wěn)定性，有利于調節(jié)金剛石
自支撐膜溫度； 4、摻入了少量的氫氣，避免了真空中殘余氧氣的副作用。
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具體實施過程 本發(fā)明所使用的設備組成包括不銹鋼真空腔室，由機械泵和羅茨泵組成的真空獲
得系統(tǒng)，水冷樣品臺及其固定裝置，電弧等離子體矩，等離子體弧電源，由質量流量計控制
的氣體充入系統(tǒng)，及對樣品臺和等離子體矩進行冷卻的循環(huán)水冷卻系統(tǒng)。 本發(fā)明具體實施步驟如下 1 、將金剛石自支撐膜固定在樣品臺上。 2、使用機械泵和羅茨泵將真空腔室抽到極限真空。 3、充入氬氣引燃等離子體弧。 4、利用真空電弧等離子體使金剛石自支撐膜升溫，溫度超過1400°C ;
5、保持真空電弧等離子體持續(xù)一定時間，最佳時間為10-15分鐘。
6、在1450。C以上進行退火，最佳退火溫度為1450。C到1700°C。
7、關斷弧電源，在真空中自然冷卻。 將要處理的樣品固定在具有水冷卻的樣品臺上，固定的方式以有效對金剛石自支 撐膜能夠進行冷卻為主，所述樣品臺置于具有真空功能的真空腔室中，然后抽真空到極限 值，充入氬氣引燃等離子體弧，并通入一定比例的氫氣，有利于等離子體放電的穩(wěn)定性，通 過調節(jié)電流和等離子體腔室的壓力，使樣品達到所需溫度，保溫一定時間后，逐步降低電 流，同時溫度也隨之下降，當電弧出現不穩(wěn)定時關斷電源滅弧，在真空腔室中自然冷卻，關 斷充入氣體閥門。 利用三點彎曲的方法可進行金剛石自支撐膜強度的測量。應用本發(fā)明所進行處理 后提高金剛石自支撐膜強度最大幅度為62. 5% 。 在1450°C以上進行退火時，金剛石自支撐膜的斷裂強度升高，特別是生長面加載 時斷裂強度有明顯的升高，形核面加載時，斷裂強度也有一定的升高。斷裂強度之所以升 高，主要原因是退火時，在金剛石晶粒中生成了石墨，使金剛石膜中引入了壓應力，為了克 服這些壓應力，所以需要更大的力才能發(fā)生斷裂，而且由于形核面的晶粒比生長面小，使形 核面生成的石墨比生長面多，引入的壓應力也就多，在形核面受拉應力時也就需要更高的 力才能斷裂，所以生長面加載時，斷裂強度的升高明顯。同時，高溫退火以后，形核面有明顯 的凸起，有一定的曲率，而生長面則不是很明顯，所以生長面加載要比形核面加載需要更大 的力。 在本發(fā)明的實施中發(fā)現提高金剛石自支撐膜強度的幅度較大的樣品，其處理前的 強度，要比提高幅度較小的金剛石自支撐膜強度要低，也就是說，在我們的研究范圍內，金 剛石自支撐膜強度低，處理后的提高幅度就大。這就意味著，造成金剛石自支撐膜強度低的 因素，在經過處理后發(fā)生了變化，或者被消除或者影響程度降低。
權利要求
一種提高自支撐金剛石膜強度的方法，其特征在于所述方法是用真空電弧等離子體對金剛石自支撐膜進行處理，包括如下步驟(1)利用真空電弧等離子體使金剛石自支撐膜升溫，溫度超過1400℃；(2)保持真空電弧等離子體持續(xù)10-15分鐘；(3)在1450℃以上進行退火；(4)關斷弧電源，在真空中自然冷卻。
2. 根據權利要求1所述的一種提高自支撐金剛石膜強度的方法，其特征在于所述步驟(3)中，退火溫度為145(TC到1700°C。
3. 根據權利要求1所述的一種提高自支撐金剛石膜強度的方法，其特征在于利用氬等離子體弧對金剛石自支撐膜進行處理。
4. 根據權利要求1或2或3所述的一種提高自支撐金剛石膜強度的方法，其特征在于 在處理過程中摻入氫氣體積比為5-10%，以避免真空中殘余氧氣的副作用。
全文摘要
本發(fā)明屬于大面積高質量金剛石膜制備技術領域，特別是提供了一種提高自支撐金剛石膜強度的方法，以應用于自支撐金剛石膜的后處理。本發(fā)明方法是用真空電弧等離子體對金剛石自支撐膜進行處理，包括如下步驟(1)利用真空電弧等離子體使金剛石自支撐膜升溫，溫度超過1400℃；(2)保持真空電弧等離子體持續(xù)10-15分鐘；(3)在1450℃以上進行退火；(4)關斷弧電源，在真空中自然冷卻。應用本發(fā)明所進行處理后提高金剛石自支撐膜強度最大幅度為62.5％。
文檔編號C23C16/27GK101705478SQ200910241500
公開日2010年5月12日 申請日期2009年12月4日 優(yōu)先權日2009年12月4日
發(fā)明者劉政, 呂反修, 李成明, 陳良賢, 黑立富 申請人:北京科技大學