自支撑金刚石厚膜脱离基体前后的残余应力研究

　　运用ANSYS 软件建立了有限元模型，对直流等离子体喷射制备的自支撑金刚石厚膜在脱离基体前、后的残余应力分别进行了数值模拟。为了使模拟更接近于金刚石膜的真实制备环境，本文取消了以往对金刚石膜或基体内的温度场常作的均匀或线性的人为假设，而采用对从磁控直流等离子体炬内喷射出的射流仿真计算结果。结论如下：

　　(1) 金刚石膜脱离基体之前，金刚石厚膜内的热残余应力呈空间应力状态，第一主应力在膜层中心以外的大部分地方均为拉应力，易引起膜开裂破坏；膜/ 基界面上极大的剪切应力是引起金刚石膜从基体上脱离的主要原因。

　　(2) 金刚石膜脱离基体之后，热残余应力绝大部分被释放，膜内最终的残余应力可认为是本征应力。

　　金刚石膜是集力学、电学、热学、声学、光学于一身的耐腐蚀的功能薄膜材料，它在微电子、光电子、生物医学、机械、航空航天、核能等高新技术领域都有极佳的应用前景，譬如沉积在硬质合金基体之上作为膜/ 基系统一同使用的金刚石薄膜刀具(即金刚石膜由基体材料支撑),以及金刚石厚膜从预先所沉积的基体上脱膜后形成的自支撑金刚石厚膜(即金刚石膜不再由基体材料支撑)，常用于厚膜焊接刀具、高功率激光窗口、红外窗口和高功率微波器件散热片(热沉)等。在制备金刚石膜的众多方法中，直流等离子体喷射法具有沉积速率高、沉积面积大等优点，很适合于大尺寸金刚石厚膜的制备，是实现金刚石膜工业化应用的最佳选择之一。但是，直流等离子体喷射法也同样存在一些尚未彻底解决的技术难题，难题之一是膜中存在较高的残余应力，导致金刚石膜炸膜碎裂的现象时有发生，出现裂纹的现象则更加频繁，这不仅破坏了金刚石膜体的完整性、降低了金刚石膜的成品率，也严重制约了金刚石膜的产业化发展进程。

　　金刚石膜中的残余应力分为热残余应力和本征应力，其中热残余应力源于制备温度的不均匀、膜/ 基材料热膨胀系数差异所导致的热变形不一致，而本征应力的形成机制非常复杂，至今尚未得出确切、统一的结论，能说的还仅限于很一般的原则，但通常认为本征应力起源于薄膜生长过程中的某种结构不完整（如杂质、空穴、晶粒、位错和层错等）、表面能态的存在以及薄膜与基体界面间的晶格失配等。因此，为了提高金刚石膜制备的成品率和应用的可靠性，对膜内的残余应力进行预测和控制是十分必要的。目前，人们常用弯曲曲率法、XRD 或Raman谱等测试表征方法对金刚石膜内的残余应力进行测量，有的是针对未脱离基体的金刚石膜进行测量，另有的是针对已脱离基体的自支撑金刚石膜(即脱膜后)进行测量。但不同的测试表征方法所得到的金刚石膜残余应力大小有时会存在相当大的悬殊，各种测试方法均存在其局限性，它们都只能得到所测位置的局部应力或平均应力，欲测得残余应力在金刚石膜体内的整体分布尚有较大困难。为此，已有部分文献对不同基体或不同沉积温度等条件下，金刚石膜的热/ 残余应力进行了数值模拟。但已有的这些模拟文献离真实的金刚石膜制备环境较远，譬如，它们对膜/ 基系统的温度均作了均匀或线性的人为假设，这些文献所模拟的均是金刚石膜还未脱离基体时的热残余应力。至于，金刚石膜从基体上脱离形成自支撑金刚石膜后，由于随着基体材料的去除，金刚石膜在原界面处所受到的约束被解除，之前金刚石膜制备完毕冷却到室温时膜/ 基系统内因二者热膨胀系数差异及温度不均匀所产生的热残余应力将会释放一部分并重新分配，以便维持新的平衡，但热残余应力有多少被释放，在脱离原基体之后的自支撑金刚石膜内的最终残余应力是否可认为就是本征应力这一问题，迄今未见到定量的报道。本文拟对金刚石膜从钼基体上脱离前、后的热残余应力进行有限元模拟，从所模拟的脱膜前后热残余应力的大小，可以定量地得出热残余应力的放和再分配情况，同时结合热残余应力的模拟结果对金刚石膜的破坏现象作初步探讨。在模拟中，对金刚石膜的温度分布不再采用以往文献常作的人为假设，而是根据直流等离子体喷射法制备金刚石膜的实际制备参数，通过对国内新型的磁控直流等离子体炬及炬外等离子体射流的温场、流场、电场和磁场进行耦合数值模拟。模拟所得出的金刚石膜上表面的温度沿半径方向的分布如图1 所示，其详细过程另文即将发表。

图1 金刚石膜上表面的温度沿径向分布

3、结论

　　本文用有限元方法对直流等离子体喷射制备的自支撑金刚石厚膜在脱离基体前和后的残余应力进行了数值模拟，采用了实际的非均匀瞬态温度场之模拟结果，取消了以往文献常作的温度均匀的人为假设。得到了如下结论：

　　(1) 金刚石膜脱离基体之前，金刚石厚膜内的热残余应力呈空间应力状态，第一主应力在膜层中心以外的大部分地方均为拉应力，易引起膜开裂破坏；膜/基界面上极大的剪切应力是引起金刚石膜从基体上脱离的主要原因。

　　(2) 金刚石膜脱离基体之后，热残余应力的绝大部分被释放，自支撑膜内最终的残余应力可认为是本征应力。