拉曼光谱快速分析金刚石薄膜的性质解读

基于拉曼光谱的类金刚石薄膜的热稳定性研究张在珍;张兆贵【摘要】利用阴极真空弧放电设备制备了表面光滑的类金刚石薄膜材料,通过多波长激发的拉曼光谱研究了不同退火条件下所制薄膜的热稳定性.实验结果表明,在小于400℃的温度处理下,类金刚石薄膜微观结构几乎不发生变化,薄膜处于稳定区;当温度升高至600℃,微观结构开始发生微妙的变化,认为处于亚稳定区;当温度升至800℃甚至1 000℃时,类金刚石薄膜的微观结构发生显著变化,薄膜开始出现石墨化,物理性质不能保持稳定.【期刊名称】《河北工业科技》【年(卷),期】2014(031)004【总页数】4页(P302-305)【关键词】类金刚石薄膜;拉曼光谱;热稳定性【作者】张在珍;张兆贵【作者单位】潍坊工程职业学院应用化学与生物工程学院,山东潍坊262500;潍坊工程职业学院应用化学与生物工程学院,山东潍坊262500【正文语种】中文【中图分类】TQ164类金刚石(DLC)薄膜因具有较高成分金刚石结构的C—C键而得名，具有一些类似于天然金刚石的物理化学性质，如高硬度、低摩擦系数、良好的化学稳定性和抗腐蚀能力[1]。

在工业界，类金刚石薄膜具有广泛的应用前景。

虽然类金刚石薄膜具有众多优点，但是热稳定性是决定其能否得到广泛应用的一个非常重要的性质，尤其是能否应用在高温场合。

本文借助多激光波长激发拉曼光谱表征薄膜的分子结构，研究薄膜材料经过热处理后薄膜分子结构的影响，深层次地表征薄膜的热稳定性，得到类金刚石薄膜能够接受的温度范围。

1.1 薄膜制备目前有很多方法可以制备类金刚石薄膜，如阴极真空电弧沉积法[2]、磁控溅射法[3]和磁过滤阴极真空膜弧沉积法。

其中磁过滤阴极真空弧放电(FCVA)沉积设备具备离化率高、涂层与工件的结合好、膜层组织致密、表面光滑等优点，得到广泛应用，制备所得的薄膜具有高密度、高硬度、优良抗磨损性能、化学惰性、无针孔等一系列优异的性能[4]。

本研究类金刚石薄膜也是由磁过滤阴极真空弧沉积系统制备所得。

金刚石拉曼光谱
金刚石的拉曼光谱可以提供有关其化学成分、晶体结构和应力状态等信息。

对于典型可见光激光激发的金刚石，其拉曼光谱在1000-2000cm-1包含了金刚石薄膜的应力信息。

对于较小的应力，拉曼谱图表现为偏离本征频率的一个单峰，并且谱峰会变宽。

在高达140GPa的压力下，拉曼位移甚至能够偏移到1650cm-1，与此同时线宽增加了2cm-1。

金刚石拉曼光谱的检测可以使用安东帕Cora5001系列拉曼光谱仪，其在金刚石材料的检测中具备很大优势：智能分析软件中的Carbon Analysis Model 可以自动进行寻峰、进行峰形拟合，再计算碳材料特征拉曼峰的信息；一级激光多使用532nm激发，有时也需要使用785nm激光激发，Cora5001可以做到一级激光的安全性能；自动聚焦调整样品台，根据仪器自带的聚焦算法可以轻松实现聚焦，使拉曼测试变得简单便捷；双波长可选，金刚石家族的拉曼光谱与入射激光波长密切相关，多一种波长选择也许会得到不同的信息，为信息互补提供必要条件。

7.声传播速度快, 是优良的传声材料。日 本的索尼公司已成批出售用金刚石薄膜 制造的频率达40000Hz的高保真度扬声 器。
8. 化学性能稳定, 耐腐蚀性能好。利用 该特性, 可制做核反应堆的内壁和航天器 的涂层, 还可以用作太阳能电池的减反射 膜和耐腐蚀涂层。
9.有良好的生物学性能。成都科技大学 在钦合金基体上镀金刚石薄膜制做人工 心脏瓣膜, 经测定: (1)抗凝血能力优于钦合金基体； (2)表面张力为5.4×10-2N/m, 与低温各 向同性碳接近; (3)溶血率为 3.7%, 符合标堆要求（标准 <5%)。
五、目前需要解决的问题
１.提高膜的质量和成核密度 由于制膜条件控制不当, 膜的结构成分往 往会包括金刚石相, 石墨相和碳的聚合物相, 此外还有空洞, 人们把这种膜称之为类金刚 石膜（DLC膜）。DLC膜虽然类似金刚石 膜,但毕竟比金刚石膜差, 在DLC膜中, C的 四重配位 SP３和三重配位SP2的比例对膜 的结构和性质的影响很大。一般来说, 四重 配位越多, 膜的性质越接近于金刚石。
目录
• 一、引言 • 二、金刚石薄膜的性能及其应 用 • 三、金刚石薄膜的合成方法 • 四、金刚石薄膜的分析和表征 • 五、目前需要解决的问题
三、金刚石薄膜的合成方法
1.低压化学气相沉积法（CVD法） ２.物理气相沉积法（PVD法） ３.化学气相翰运法（ＣＶＴ法）
1.低压化学气相沉积法（CVD法）
该法生长金刚石薄膜所用的原料除氢气外, 碳源多用CH4及其它碳氢化合物, 如C2H2、 C2H6、C2H8等, 用甲醇、乙醇和三甲胺等有 机化合物为原料也能生长出金刚石型薄膜 ①热丝CVD法 ②等离子体增强化学气相沉积法（PCVD )
热丝CVD法
基本原理是含碳气相组分在高温下分解 离化后沉积在基体上形成金刚石膜。 热丝CVD装置如图所示, 主要由真空反 应室, 抽真空系统, 进气控制系统和 基板加热系统组成。真空反应室是 由石英管制做的, 反应室内有热灯丝, 样品支架和测温热电偶等, 样品支架 可以转动, 抽真空系统由机械泵和 真空计组成。碳源气体和氢气按一定比 例混合后进人反应室, 其流量用质量 流量计控制, 碳源气体浓度一般<= 5%(体积比)。 。

金刚石涂层机械密封环的制备与抛光特性研究雷学林;何云;孙方宏【摘要】为延长机械密封环的工作寿命,采用热丝化学气相沉积法在碳化硅陶瓷机械密封环工作表面涂覆具有耐磨减摩特性的、厚度30～50 μm微米金刚石(MCD)、纳米金刚石(NCD)和微纳米金刚石(MNCD)薄膜.分析结果表明:MCD薄膜的拉曼光谱具有明显的多晶金刚石特征峰,NCD和MNCD薄膜的拉曼光谱中出现了代表石墨和不定型碳的G峰和D峰.利用平面抛光实验,对比MCD、NCD和MNCD涂层机械密封环后续处理的抛光特性.实验结果表明:MNCD涂层抛光效率高且耐磨损性能优异,其综合使用性能优于MCD和NCD涂层,更适合涂覆在机械密封环表面,以增强其耐磨损性能.%In order to prolong the working life of mechanical seals,the micro crystalline diamond (MCD),nano crystalline diamond (NCD) and micro/nano crystalline diamond (MNCD) films with excellent wear resistance and low friction coefficient were deposited on the working faces of silicon carbide mechanical seals by chemical vapor deposition method.The results of Raman spectrum analysis show that the thickness of as-deposited MCD,NCD and MNCD films is all about 30～50 pm.The Raman spectrum of MCD film shows distinct peak of crystalline diamond,while the G and D peaks representing graphite and amorphous carbon are presented in the Raman spectra of NCD and MNCD films.The subsequent polishing properties of MCD,NCD and MNCD coated mechanical seals were comparatively studied by the plane polishing experiments.The experimental results indicate that the MNCD coating exhibits higher polishing efficiency and excellent wear resistance,showingbetter functional performance compared with the MCD and NCDfilms,which is more suitable to be deposited on the mechanical seals to improve their wear resistance.【期刊名称】《润滑与密封》【年(卷),期】2017(042)009【总页数】4页(P34-37)【关键词】金刚石薄膜;机械密封环;拉曼光谱;抛光性能【作者】雷学林;何云;孙方宏【作者单位】华东理工大学机械与动力工程学院上海200237;华东理工大学机械与动力工程学院上海200237;上海交通大学机械与动力工程学院上海200240【正文语种】中文【中图分类】TB43;TH117.1近年来，机械端面密封技术已广泛应用于石油、化工、轻工、冶金、机械、航空和原子能等工业领域[1-3]。