金刚石膜制备中开裂影响因素分析及工艺优化

摘要

金刚石膜是一种不可多得的多功能材料，被广泛应用于光电子、航空航天、机械加工等多个领域。但金刚石膜在制各过程中易开裂破坏成为制备金刚石膜的难题。本文以直流等离子体喷射法制备大面积金刚石膜为研究对象，按其制备的技术路线，分别对磁控直流等离子体炬、炬外部沉积腔以及膜/基系统三个紧密相连的部分建立相对应的模型，用FLUENT软件及有限元软件模拟所包含的多个耦合物理场，得到了膜/基系统真实的温度条件及冷却到室温时膜内的残余应力，然后对影响金刚石膜开裂的工艺参数进行优化分析研究。
　　主要的研究工作如下:
　　1.以磁控直流等离子体炬为研究对象，应用二次开发的FLUENT软件对其进行数值模拟，得到炬内等离子体温度场与速度场，以及炬出口等离子体真实的温度与速度分布。
　　2.以等离子体炬与炬外沉积腔整体为研究对象，模拟得到等离子体射流的流动与传热特性，以及沉积台上金刚石膜上表面温度沿径向的分布。
　　3.以膜/基系统为研究对象，将上述所获得的金刚石膜上表面的非均匀温度场作为初始边界条件，应用ANSYS软件对其模拟分析，得出膜/基系统的温度场分布以及金刚石膜的热残余应力场的分布，并对金刚石膜开裂破坏的原因进行分析。
　　4.对影响金刚石膜开裂破坏的工艺参数进行研究，分析得出影响金刚石膜开裂破坏的主要因素，对于合理控制金刚石膜的残余应力、提高成品率具有重要的意义。
　　5.对磁控直流等离子体炬进行三维数值模拟，首先建立了三维的多场耦合模型，应用FLUENT软件进行模拟，得出等离子体在炬内的多耦合场的分布及炬出口温度与速度分布。结果表明，炬内多耦合场具有明显的三维特征。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 金刚石的结构与性质

1．2 金刚石膜概述

1．2．1 金刚石膜的性能及应用

1．2．2 金刚石膜制备方法简介

1．2．3 金刚石膜的常用表征方法

1．3 研究现状

1．3．1 电磁流体的流动传热研究现状

1．3．2 金刚石膜残余应力的研究现状

1．3．3 已有研究的不足

1．4 本文的研究意义及内容

第2章 磁控直流等离子体炬的传热与流动的数值模拟

2．1 磁流体动力学模型

2．2 计算区域、边界条件及软件开发

2．3 数值模拟结果及分析

2．4 本章小结

第3章 等离子体炬与炬外沉积腔的数值模拟

3．1 基本假设及控制的方程组

3．2 计算区域、模拟工况及边界条件

3．3 数值模拟结果及分析

3．4 本章小结

第4章 金刚石膜残余应力场的仿真计算及开裂破坏研究

4．1 瞬态热—力耦合模型

4．2 计算区域、物性参数与边界条件

4．3 数值模拟结果

4．4 金刚石膜的开裂破坏研究

4．5 本章小结

第5章 影响金刚石膜开裂的工艺参数及分析研究

5．1 等离子体炬的工艺参数

5．1．1 外磁场对等离子体炬流动与传热特性的影响

5．1．2 入口气流量对等离子炬流动与传热特性的影响

5．1．3 阴极电势对等离子炬流动与传热特性的影响

5．1．4 不同阴极结构的等离子体炬的对比分析

5．1．5 不同阳极结构的等离子体炬的对比分析

5．1．6 温度场方程添加项对等离子炬炬出口温度的影响

5．2 炬外沉积腔的工艺参数

5．2．1 炬出口到沉积台的距离对金刚石膜表面温度的影响

5．2．2 钼基体半径对金刚石膜表面温度的影响

5．3 膜／基系统自身的工艺参数

5．3．1 钼基体半径对金刚石膜残余应力的影响

5．3．2 膜／基界面形貌对金刚石膜残余应力的影响

5．4 参数分析与工艺优化

5．5 本章小结

第6章 磁控直流等离子体炬的三维数值模拟

6．1 三维磁流体动力学模型

6．2 计算区域、工况条件及边界条件

6．3 模拟结果及分析

6．4 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及参加的科研项目