整体硬质合金铣刀上制备CVD金刚石涂层的系统三维流场研究

本文通过建立整体硬质合金立铣刀上制备CVD金刚石涂层时CVD沉积系统流场的三维模型,研究了进气口分布对该系统流场均匀性的影响,优化了进气口的分布;在仿真的基础上开展了整体硬质合金立铣刀上制备CVD金刚石涂层的验证实验,采用SEM和Raman对制备的CVD金刚石涂层进行了分析测试.结果表明:优化后的流场可以用于制备高质量的CVD金刚石涂层,且批量制备出的在衬底不同位置上的铣刀表面CVD金刚石涂层的质量均匀一致.     

碳氢基团在孕镶金刚石表面吸附作用的机理研究

为了探究活性碳氢基团在CVD过程中的实际作用,基于第一性原理的平面波赝势方法并结合孕镶金刚石基底表面缺陷的特性,从理论上计算了以CH4/H2为气源的CVD过程中各种碳氢活性基团(C、CH、CH2和CH3)的自由能,具体分析了各种基团在基底表面的吸附过程以及吸附难易程度.结果表明:CH3、CH2、CH、C粒子在基底上的吸附能力逐渐减弱,CH3粒子吸附能最高,是促进CVD金刚石涂层生长的最有利基团.CH、C基团与基底碳原子成键接近石墨键,是不利于金刚石涂层生长的基团,会导致CVD金刚石薄膜产生一定的无定形碳和晶格缺陷.根据这一结论,在CVD沉积实验中,可适当调整实验参数以增加反应腔室中CH3的浓度,从而沉积出更高品质的CVD金刚石涂层.     

四甲基硅烷流量对硬质合金表面沉积的SiC涂层的影响

采用强电流直流伸展电弧化学气相沉积(HCDCA CVD)技术,在Ar、H2和四甲基硅烷(TMS)先驱体组成的混合气体气氛下,在YG6硬质合金衬底表面沉积了SiC涂层.本文对不同TMS流量条件下制备的SiC涂层的沉积速率、表面形貌、化学成分、物相组成以及附着力进行了对比研究.在此基础上,实验选取表面连续致密且附着力良好的SiC涂层作为过渡层进行了金刚石涂层的沉积,并对金刚石涂层的形貌、质量以及附着力进行了表征.实验发现.随着TMS流量的增加,SiC涂层的沉积速率加快,连续和致密性逐渐改善,但其附着力明显降低.连续致密且附着力良好的SiC涂层作为过渡层,可以有效地抑制硬质合金中Co的扩散,消除Co在金刚石涂层沉积过程中的不利影响,获得附着力良好的纳米金刚石涂层.     

硬质合金表面去钴和脱碳对金刚石薄膜粘结性能的影响

金刚石涂层的粘结性能是影响CVD金刚石薄膜涂层刀具使用寿命的关键因素.本文分别对硬质合金(YG6)表面进行酸蚀去钴和原位脱碳两种不同的预处理后,在热丝CVD系统中沉积金刚石薄膜,运用压痕试验评价金刚石薄膜与硬质合金基体的粘结性能.结果表明,经过原位脱碳预处理的硬质合金表面上金刚石涂层的粘结性能比酸蚀去钴法提高了近一倍;同时分析了硬质合金表面酸蚀去钴对金刚石薄膜粘结性能的影响及其剥离机制,并讨论了硬质合金表面原位脱碳的化学机制.     

沉积温度对硬质合金表面沉积的SiC薄膜的影响

采用强电流直流伸展电弧等离子体CVD技术,以Ar、H2和四甲基硅烷(TMS)为先驱气体,在YG6硬质合金衬底表面制备了SiC薄膜。实验结果表明:随着沉积温度的升高,薄膜的致密性和平整度提高;但当沉积温度过高时,SiC薄膜的表面开始具有含非晶碳球和呈花瓣状的疏松结构。在合适的沉积温度下,SiC薄膜的致密性和平整度较好,且其具有较好的附着力和一定的强度,而这样的SiC薄膜可以阻止在金刚石涂层沉积过程中硬质合金中含有的Co对金刚石相沉积过程的有害作用。     

微/纳米金刚石复合涂层刀具的制备及切削试验

利用化学气相沉积法在硬质合金基体上制备微/纳米金刚石复合涂层,采用扫描电镜、Raman光谱仪、洛氏硬度计、微粒喷浆试验仪对涂层进行微结构与性能表征,同时进行切削试验.结果表明:涂层表面晶粒细小,颗粒尺寸达到纳米级,涂层纯度高,膜/基结合力好,耐磨性高.切削试验结果显示:微/纳米金刚石复合涂层刀具切削加工工件的表面粗糙度比硬质合金刀具小,其表面粗糙度平均值为0.931μm;从后刀面磨损量结果看出微/纳米金刚石复合涂层刀具使用寿命长;从前、后刀面磨损形貌看出金刚石复合涂层结合力好,耐磨性高.     

硬质合金CVD金刚石涂层工具衬底前处理技术研究

本研究采用KOH:K3[Fe(CN)6]:H2O和H2SO4:H2O2两种溶液浸蚀硬质合金衬底,分别选择刻蚀WC和Co.并在浸蚀过的硬质合金衬底上,用强电流直流伸展电弧等离子体CVD法沉积金刚石涂层.研究表明,两步混合处理法不仅可以有效的去除硬质合金基体表面的钴,而且,还可显著粗化硬质合金衬底.因此,提高了金刚石薄膜的质量和涂层的附着力.     

W18Cr4V高速钢衬底CVD金刚石涂层沉积技术研究

研究了通过热丝CVD法在施加了Ni-P/Cu复合中间过渡层的W18Cr4V高速钢衬底表面进行金刚石涂层的沉积技术以及不同压力条件对沉积出的CVD金刚石涂层质量的影响.最后通过扫描电镜分别对Cu、Ni-P以及不同反应压力下沉积的金刚石涂层的表面形貌进行了检测分析,通过XRD、拉曼光谱仪、洛氏硬度仪对金刚石涂层性能进行检测分析.结果表明:Ni-P/Cu复合中间过渡层可以明显的抑制Fe、Co的催石墨化作用.在此基础上通过沉积参数的优化,在W18Cr4V高速钢衬底表面成功沉积出高质量的CVD金刚石涂层.压力为4 kPa条件下沉积的CVD金刚石涂层较5 kPa的金刚石颗粒晶型明显、分布致密.     

衬底温度对电子辅助增强化学气相沉积金刚石膜的影响

本工作采用蒙特卡罗(Monte Carlo)方法,对以CH4/H2为源气体的电子助进化学气相沉积(EACVD)金刚石薄膜的气相动力学过程进行了模拟.提出了衬底温度的空间梯度变化模型,研究了衬底温度对EACVD气相过程中的电子群行为以及H2和CH4分解过程的影响.结果表明:电子平均温度随着衬底温度的升高而升高;当气压较低时,分解得到的成膜关键粒子H、CH3数量随衬底温度的增大而减少;而当气压较高时,H、CH3数目随衬底温度的增大而增大;衬底温度主要改变了衬底表面附近的化学反应动力学过程,从而对薄膜质量产生了决定性的影响.     

CVD样品台旋转对沉积金刚石涂层的影响

以CH3COCH3和H2为反应气源,利用热丝化学气相沉积(HFCVD)方法,通过改变样品台的旋转频率在YG6硬质合金(WC-6wt; Co)基体上沉积金刚石涂层.利用X射线衍射分析YG6硬质合金表面沉积金刚石涂层物相,通过扫描电子显微镜和压痕试验机分析金刚石涂层的表面形貌、沉积厚度和膜基结合性能,考察了样品台旋转频率对沉积金刚石涂层结构与性能的影响,以确定最佳的样品台旋转频率.结果 表明,在固定沉积工艺参数条件下,当样品台的旋转频率为2次/h时,在YG6硬质合金基体上沉积的金刚石涂层具有较优的晶粒和更均匀致密的聚晶结构以及更高的膜-基结合力.     

甲烷浓度对CVD自支撑金刚石薄膜残余应力的影响

根据唯像理论研究了化学气相沉积自支撑金刚石薄膜中织构和弹性性能之间的关系,揭示了晶体取向和织构对残余应变和残余应力的影响.织构使CVD金刚石薄膜杨氏模量和宏观残余应变呈现各向异性,而且两者呈现相反的分布规律.织构和杂质都能影响金刚石薄膜的弹性模量和残余应变,但是织构的影响是主要的.实验中测量的残余应变很好的符合了根据薄膜织构计算得到的弹性模量值.因此可以借助改变薄膜织构来调节薄膜的残余应力.     

Study of the mechanical properties of two organic–inorganic hybrid systems: GPTMS/colloidal silica and GPTMS/TEOS

This work investigates the mechanical properties of different scratch resistant coatings, namely, a mixture of 3-glycidoxypropyltrimethoxysilane (GPTMS) with either colloidal silica particles or tetraethoxysilane (TEOS). Coatings were prepared by the hydrolysis and the condensation of the precursor's alkoxide (sol–gel process) with thermally catalyzed polymerization of epoxy ring of GPTMS. Dip deposition techniques were used on silicon substrate.The nanoindentation technique was used to analyze the force required to indent the coating with a diamond tip. At low forces, this technique, based on indentation depth, predicts the hardness and the elastic modulus of the coating, while at higher forces, cracks appear. Another analysis based on geometric approach, namely, the crack length, allows the determination of both coating and interface toughness.     

直流电弧等离子体喷射化学气相沉积高质量金刚石膜残余应力分布的垃曼谱分析

不同工艺条件下在钼衬底(φ60mm)上用100 kW直流电弧等离子体喷射化学气相沉积设备进行金刚石膜的制备.金刚石膜用扫描电镜(SEM)、拉曼谱(激光激发波长为488nm)和X射线衍射来表征.研究结果表明,在直流电弧等离子体喷射化学气相沉积金刚石膜的过程中,内应力大小从金刚石膜的中央到边缘是增加的,并且应力形式是压应力.这说明了在金刚石膜中存在明显的应力不均.甲烷浓度和衬底温度都影响金刚石膜中的内应力.随着甲烷浓度和衬底温度的提高,金刚石膜中的内应力呈增加的趋势.     

Analysis of synthetic diamond single crystals by X-ray topography and double-crystal diffractometry

Structural features of diamond single crystals synthesized under high pressure and homoepitaxial films grown by chemical vapor deposition (CVD) have been analyzed by double-crystal X-ray diffractometry and topography. The conditions of a diffraction analysis of diamond crystals using Ge monochromators have been optimized. The main structural defects (dislocations, stacking faults, growth striations, second-phase inclusions, etc.) formed during crystal growth have been revealed. The nitrogen concentration in high-pressure/high-temperature (HPHT) diamond substrates is estimated based on X-ray diffraction data. The formation of dislocation bundles at the film-substrate interface in the epitaxial structures has been revealed by plane-wave topography; these dislocations are likely due to the relaxation of elastic macroscopic stresses caused by the lattice mismatch between the substrate and film. The critical thicknesses of plastic relaxation onset in CVD diamond films are calculated. The experimental techniques for studying the real diamond structure in optimizing crystal-growth technology are proven to be highly efficient.     

直流电弧等离子喷射CVD中控制生长(111)晶面占优的金刚石膜

运用光发射谱(OES)技术对大功率直流电弧等离子喷射CVD金刚石膜的气相沉积环境进行了原位诊断,研究了气相环境中主要含碳基团的浓度及分布与沉积参数的关系,发现了C2基元比其他基元对沉积参数更加敏感.利用光发射谱对C2基元发射强度的监测,实时调控沉积各参数,在大功率直流电弧等离子喷射CVD中实现了(111)晶面占优的金刚石膜的可控生长,I(111)/I(220)XRD衍射峰强度的比值达48.     

合成CVD金刚石涂层用硬质合金基体预处理工艺优化研究

以CH3COCH3和H2为反应气源,采用热丝CVD法在经过两步法和三步法预处理的YG6硬质合金(WC-6wt;Co)基体上沉积金刚石涂层.利用扫描电子显微镜和能谱仪分析检测预处理后的YG6基体的表面形貌和钴含量,通过对比三步法与两步法的预处理结果确定三步法最佳工艺.利用扫描电镜、X射线衍射仪和硬度计检测所得金刚石涂层的表面形貌、结晶性和膜基结合性.结果表明:三步法最佳工艺为先采用酸溶液腐蚀20 s,然后采用碱溶液腐蚀20 min,最后继续用酸溶液腐蚀3 min.三步法预处理后的YG6基体获得的金刚石薄膜生长更加均匀致密,晶粒取向更高,膜基结合性能更好.     

渗硼并两步处理硬质合金微晶金刚石涂层工具研究

研究了固体粉末渗硼并碱酸两步处理预处理硬质合金基体的表面组织、形貌、粗糙度,并在处理过的硬质合金基体上,用强电流直流伸展电弧等离子体CVD法沉积微晶金刚石薄膜涂层.进一步的涂层质量表征,附着力测试及切削实验研究结果表明,这种涂层质量高、附着力好(压痕测试临界载荷大于1500N).金刚石涂层工具的切削加工性能明显优于无涂层硬质合金工具.在加工ZAlSi12合金时,微晶金刚石涂层车刀片、铣刀片的切削寿命是无涂层车刀片、铣刀片切削寿命的32倍和26倍.     

A nanoindentation study of thick cBN films prepared by chemical vapor deposition

The mechanical properties of high-quality cubic boron nitride (cBN) films were systematically investigated by nanoindentation measurements performed in both cross-sectional and plan-view directions. The large film thickness (∼5 μm) allows the effective ruling out of both substrate and indenter size effects. The hardness and elastic modulus values were found to be 70 and 800 GPa, respectively, which are the highest values ever obtained on cBN films deposited by either PVD or CVD methods so far (comparable to those reported for cBN crystals synthesized by high-pressure high-temperature methods). The variation of hardness across the cBN film thickness was investigated. In conjunction with the transmission electron microscopic observations, the relationship of the hardness measured with the crystallinity and crystal size/grain boundaries was discussed.     

化学气相沉积(CVD)金刚石研究现状和发展趋势

化学气相沉积(CVD)技术的发展使得金刚石优异的综合性能得以充分发挥,在诸多领域获得应用,并有可能实现跨越式的发展。色心使得金刚石量子加速器初步显示了巨大可行性,包括紫外激光写入窗口等诸多应用场景将金刚石的光、电、热和力学综合优势发挥到了极致,超宽禁带金刚石半导体应用将很快实现,金刚石的散热应用也在不断拓展。本文在总结CVD金刚石的制备方法和性能特点的基础上,根据金刚石的本征特点和应用领域,将其分为量子级、电子级、光学级、热学级和力学级五类,对各类金刚石的研究和应用状况进行了详细阐述,进一步明晰CVD金刚石目前的发展状态,对研判其未来发展趋势有重要意义。     

CVD人造金刚石核辐射探测器研究进展

金刚石探测器具有体积小、抗辐照能力强、时间响应快等优点,在核辐射领域应用优势显著。早期金刚石核辐射探测器均采用天然金刚石材料,化学气相沉积(chemical vapor deposition, CVD)金刚石人工合成技术的进步,极大地促进了金刚石核辐射探测器的发展与应用。本文从CVD人造金刚石材料入手,分析了制约金刚石探测器性能的杂质与缺陷、CVD金刚石的合成工艺、探测器级金刚石中杂质与缺陷的表征方法,并基于载流子迁移率与寿命乘积、探测器的电荷收集效率等性能指标,总结了CVD金刚石中的杂质与缺陷对探测器性能的影响规律,介绍了国外金刚石核辐射探测器的应用现状并展望了国内金刚石核辐射探测器的发展前景。