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金刚石衬底上红外增透及抗氧化膜系的制备与性能研究

巨志高  
【摘要】:金刚石具有高红外透过率、低吸收系数、较好的抗热冲击性、耐磨损等一系列优异的性能,是制造高速飞行器红外窗口和头罩的理想材料。然而金刚石在750℃以上时很容易发生氧化,导致透过率急剧下降。因此在金刚石表面镀制抗氧化并且红外增透的涂层就成为满足其在高速、高温下应用的关键技术。氮化铝(AlN)具有优良的物理、化学性能,抗高温氧化能力强。本文主要研究了AlN薄膜的制备工艺对其结构、光学及高温抗氧化性能的影响规律,为将氮化铝用作金刚石红外增透及抗氧化膜系奠定基础。 1.利用OPFCAD软件在金刚石衬底上设计了AlN/Si和AlN/Ge增透保护膜系。设计结果表明,在金刚石双面镀这两种膜系,在8~12μm波段的平均透过率均大于90%,满足了高速红外窗口和导弹头罩设计和使用的要求。 2.系统地研究了主要工艺参数对AlN薄膜沉积速率的影响,对工艺参数进行了优化。结果表明,沉积速率随射频功率的增大而增大,随溅射气压和N_2/Ar流量比的增大而减小,衬底加热温度对沉积速率的影响不大。 3.X射线光电子能谱(XPS)和傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析证实,所制备薄膜中Al、N元素结合形成了AlN化合物。X射线衍射(XRD)分析表明,射频磁控反应溅射过程中衬底未加热时制备的AlN膜呈现非晶态;随衬底加热温度的升高AlN膜呈现多晶结构。小的溅射功率和高的N_2/Ar流量比条件下,AlN膜呈现出(100)面的择优生长趋势,对其机理进行了讨论。 4.适当提高衬底加热温度和溅射功率有利于改善AlN膜高温热处理时的附着性能。 5.成功地在金刚石衬底上制备出AlN/Si和AlN/Ge膜系。金刚石衬底上镀AlN/Ge膜系后红外透过率有一定的提高。高温氧化试验表明,AlN膜系对金刚石起到了良好的抗氧化保护作用,红外透过率下降很少,可靠性较好。


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