本文關(guān)鍵詞：金剛石生長及加工過程中的力學(xué)行為研究

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【摘要】：金剛石集多種優(yōu)異性能于一體,是目前應(yīng)用前景廣泛的材料之一。但是其高脆性阻礙了其應(yīng)用前景。單晶金剛石的激光切割加工以及多晶金剛石的制備降溫過程均會(huì)由于金剛石的脆性而對金剛石本身產(chǎn)生破壞和損傷。因此對金剛石生長及加工過程中的力學(xué)行為研究是十分重要的。本文使用斷裂力學(xué)方法研究了金剛石裂紋擴(kuò)展的機(jī)理。從能量角度分析了CVD單晶金剛石的脈沖激光切割的過程:從金剛石系統(tǒng)的輸入能量、輸出能量、能量損耗以及系統(tǒng)中的能量轉(zhuǎn)換,將脆性破壞行為中用于生成裂紋的能量用統(tǒng)一形式表達(dá),并根據(jù)斷裂力學(xué)理論得到裂紋長度。對脈沖激光切割單晶金剛石的斷裂行為開展研究。CVD單晶金剛石樣品經(jīng)脈沖激光切割處理后,使用激光共聚焦顯微鏡觀測到脈沖激光燒蝕波紋與斷裂形貌共存的現(xiàn)象,闡明了脈沖激光的熱量分布不均勻?qū)е戮w內(nèi)的大范圍缺陷及破壞的結(jié)論。使用拉曼光譜獲得了切割后碎片的物相構(gòu)成,驗(yàn)證了脈沖激光切割的理論分析。對多晶金剛石生長過程中的熱應(yīng)力進(jìn)行仿真模擬。提出4條簡化假設(shè)后使用ANSYS建立了膜基結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的有限元分析模型。模擬計(jì)算出CVD多晶金剛石生長過程的熱應(yīng)力為壓應(yīng)力,大小為0.5967~0.6406 GPa。分別研究了不同工藝參數(shù)對熱應(yīng)力的影響:選取不同制備溫度、多晶金剛石膜半徑、多晶金剛石膜厚度和基底材料分析其對多晶金剛石膜中熱應(yīng)力的影響規(guī)律,獲得了保持熱應(yīng)力在較小的數(shù)值的生長工藝:制備溫度需控制在1150±50 K范圍內(nèi),生長用的基底半徑控制在25.4 mm以下,厚度對其影響較大,在制備初期多晶部分厚度較小時(shí)需要重點(diǎn)關(guān)注,且基底材料應(yīng)選擇與多晶金剛石熱學(xué)性能接近的材料的結(jié)論。進(jìn)行了多晶金剛石殘余應(yīng)力的理論分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。利用掃描電鏡獲得了CVD多晶金剛石的微觀結(jié)構(gòu),驗(yàn)證了殘余應(yīng)力計(jì)算公式中系數(shù)選取有誤差的理論,利用拉曼光譜特征峰位移計(jì)算出拉曼光譜熱應(yīng)力的數(shù)值大小為0.148 GPa,闡明了其與仿真結(jié)果的差異原因:(1)系數(shù)選取本身不準(zhǔn)確;(2)有限元模型的簡化假設(shè)導(dǎo)致有限元仿真結(jié)果的誤差;(3)酸可能對多晶金剛石的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,導(dǎo)致多晶金剛石膜中的殘余應(yīng)力發(fā)生變化,使計(jì)算結(jié)果發(fā)生誤差。
【關(guān)鍵詞】：金剛石 激光切割 殘余應(yīng)力 有限元
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TQ163
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 緒論9-24
• 1.1 課題來源及研究背景9-11
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及分析11-21
• 1.2.1 國外研究現(xiàn)狀及分析11-19
• 1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀及分析19-21
• 1.3 國內(nèi)外文獻(xiàn)綜述的簡析21-22
• 1.4 本文的研究意義與主要內(nèi)容22-24
• 1.4.1 本文研究意義22-23
• 1.4.2 本文主要內(nèi)容23-24
• 第2章 實(shí)驗(yàn)方法及表征手段24-35
• 2.1 金剛石的制備24-30
• 2.1.1 單晶金剛石的制備24-27
• 2.1.2 多晶金剛石的制備27-30
• 2.2 金剛石的形貌表征方法30-31
• 2.2.1 激光共聚焦顯微鏡30-31
• 2.2.2 掃描電子顯微鏡（SEM）觀察晶體形貌31
• 2.3 應(yīng)力檢測方法31-34
• 2.3.1 X射線衍射儀（XRD）測定殘余應(yīng)力31-32
• 2.3.2 拉曼（Raman）散射峰計(jì)算晶體應(yīng)力32-34
• 2.4 本章小結(jié)34-35
• 第3章 CVD單晶金剛石裂紋擴(kuò)展的機(jī)理研究35-44
• 3.1 引言35
• 3.2 單晶金剛石脆性破壞行為的理論分析35-36
• 3.3 激光切割能量分析36-42
• 3.4 單晶金剛石內(nèi)部裂紋長度42
• 3.5 本章小結(jié)42-44
• 第4章 激光切割CVD金剛石斷裂行為研究44-55
• 4.1 引言44
• 4.2 激光切割CVD金剛石處理44-45
• 4.3 激光共聚焦顯微鏡觀測結(jié)果及分析45-47
• 4.4 Raman光譜測試結(jié)果及分析47-51
• 4.5 掃描電鏡測試結(jié)果及分析51-54
• 4.6 本章小結(jié)54-55
• 第5章 多晶金剛石熱應(yīng)力的有限元仿真研究55-70
• 5.1 引言55
• 5.2 有限元模型的建立與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證55-60
• 5.2.1 有限元模型的簡化假設(shè)55-56
• 5.2.2 ANSYS有限元模型的建立及結(jié)果56-60
• 5.3 ANSYS有限元仿真分析60-68
• 5.3.1 CVD多晶金剛石熱應(yīng)力仿真結(jié)果分析60
• 5.3.2 工藝參數(shù)對多晶金剛石膜熱應(yīng)力影響60-68
• 5.4 本章小結(jié)68-70
• 第6章 多晶金剛石膜殘余應(yīng)力的研究70-77
• 6.1 引言70
• 6.2 殘余應(yīng)力理論分析70-71
• 6.3 掃描電鏡測試結(jié)果及分析71-72
• 6.4 拉曼光譜殘余應(yīng)力測試結(jié)果及分析72-76
• 6.5 本章小結(jié)76-77
• 結(jié)論77-79
• 參考文獻(xiàn)79-83
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的成果83-85
• 致謝85

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本文編號：717371