運用ANSYS 軟件建立了有限元模型，對直流等離子體噴射制備的自支撐金剛石厚膜在脫離基體前、后的殘余應(yīng)力分別進行了數(shù)值模擬。為了使模擬更接近于金剛石膜的真實制備環(huán)境，本文取消了以往對金剛石膜或基體內(nèi)的溫度場常作的均勻或線性的人為假設(shè)，而采用對從磁控直流等離子體炬內(nèi)噴射出的射流仿真計算結(jié)果。結(jié)論如下：

　　(1) 金剛石膜脫離基體之前，金剛石厚膜內(nèi)的熱殘余應(yīng)力呈空間應(yīng)力狀態(tài)，第一主應(yīng)力在膜層中心以外的大部分地方均為拉應(yīng)力，易引起膜開裂破壞；膜/ 基界面上極大的剪切應(yīng)力是引起金剛石膜從基體上脫離的主要原因。

　　(2) 金剛石膜脫離基體之后，熱殘余應(yīng)力絕大部分被釋放，膜內(nèi)最終的殘余應(yīng)力可認為是本征應(yīng)力。

　　金剛石膜是集力學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)、聲學(xué)、光學(xué)于一身的耐腐蝕的功能薄膜材料，它在微電子、光電子、生物醫(yī)學(xué)、機械、航空航天、核能等高新技術(shù)領(lǐng)域都有極佳的應(yīng)用前景，譬如沉積在硬質(zhì)合金基體之上作為膜/ 基系統(tǒng)一同使用的金剛石薄膜刀具(即金剛石膜由基體材料支撐),以及金剛石厚膜從預(yù)先所沉積的基體上脫膜后形成的自支撐金剛石厚膜(即金剛石膜不再由基體材料支撐)，常用于厚膜焊接刀具、高功率激光窗口、紅外窗口和高功率微波器件散熱片(熱沉)等。在制備金剛石膜的眾多方法中，直流等離子體噴射法具有沉積速率高、沉積面積大等優(yōu)點，很適合于大尺寸金剛石厚膜的制備，是實現(xiàn)金剛石膜工業(yè)化應(yīng)用的最佳選擇之一。但是，直流等離子體噴射法也同樣存在一些尚未徹底解決的技術(shù)難題，難題之一是膜中存在較高的殘余應(yīng)力，導(dǎo)致金剛石膜炸膜碎裂的現(xiàn)象時有發(fā)生，出現(xiàn)裂紋的現(xiàn)象則更加頻繁，這不僅破壞了金剛石膜體的完整性、降低了金剛石膜的成品率，也嚴重制約了金剛石膜的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展進程。

　　金剛石膜中的殘余應(yīng)力分為熱殘余應(yīng)力和本征應(yīng)力，其中熱殘余應(yīng)力源于制備溫度的不均勻、膜/ 基材料熱膨脹系數(shù)差異所導(dǎo)致的熱變形不一致，而本征應(yīng)力的形成機制非常復(fù)雜，至今尚未得出確切、統(tǒng)一的結(jié)論，能說的還僅限于很一般的原則，但通常認為本征應(yīng)力起源于薄膜生長過程中的某種結(jié)構(gòu)不完整（如雜質(zhì)、空穴、晶粒、位錯和層錯等）、表面能態(tài)的存在以及薄膜與基體界面間的晶格失配等。因此，為了提高金剛石膜制備的成品率和應(yīng)用的可靠性，對膜內(nèi)的殘余應(yīng)力進行預(yù)測和控制是十分必要的。目前，人們常用彎曲曲率法、XRD 或Raman譜等測試表征方法對金剛石膜內(nèi)的殘余應(yīng)力進行測量，有的是針對未脫離基體的金剛石膜進行測量，另有的是針對已脫離基體的自支撐金剛石膜(即脫膜后)進行測量。但不同的測試表征方法所得到的金剛石膜殘余應(yīng)力大小有時會存在相當大的懸殊，各種測試方法均存在其局限性，它們都只能得到所測位置的局部應(yīng)力或平均應(yīng)力，欲測得殘余應(yīng)力在金剛石膜體內(nèi)的整體分布尚有較大困難。為此，已有部分文獻對不同基體或不同沉積溫度等條件下，金剛石膜的熱/ 殘余應(yīng)力進行了數(shù)值模擬。但已有的這些模擬文獻離真實的金剛石膜制備環(huán)境較遠，譬如，它們對膜/ 基系統(tǒng)的溫度均作了均勻或線性的人為假設(shè)，這些文獻所模擬的均是金剛石膜還未脫離基體時的熱殘余應(yīng)力。至于，金剛石膜從基體上脫離形成自支撐金剛石膜后，由于隨著基體材料的去除，金剛石膜在原界面處所受到的約束被解除，之前金剛石膜制備完畢冷卻到室溫時膜/ 基系統(tǒng)內(nèi)因二者熱膨脹系數(shù)差異及溫度不均勻所產(chǎn)生的熱殘余應(yīng)力將會釋放一部分并重新分配，以便維持新的平衡，但熱殘余應(yīng)力有多少被釋放，在脫離原基體之后的自支撐金剛石膜內(nèi)的最終殘余應(yīng)力是否可認為就是本征應(yīng)力這一問題，迄今未見到定量的報道。本文擬對金剛石膜從鉬基體上脫離前、后的熱殘余應(yīng)力進行有限元模擬，從所模擬的脫膜前后熱殘余應(yīng)力的大小，可以定量地得出熱殘余應(yīng)力的放和再分配情況，同時結(jié)合熱殘余應(yīng)力的模擬結(jié)果對金剛石膜的破壞現(xiàn)象作初步探討。在模擬中，對金剛石膜的溫度分布不再采用以往文獻常作的人為假設(shè)，而是根據(jù)直流等離子體噴射法制備金剛石膜的實際制備參數(shù)，通過對國內(nèi)新型的磁控直流等離子體炬及炬外等離子體射流的溫場、流場、電場和磁場進行耦合數(shù)值模擬。模擬所得出的金剛石膜上表面的溫度沿半徑方向的分布如圖1 所示，其詳細過程另文即將發(fā)表。

圖1 金剛石膜上表面的溫度沿徑向分布

3、結(jié)論

　　本文用有限元方法對直流等離子體噴射制備的自支撐金剛石厚膜在脫離基體前和后的殘余應(yīng)力進行了數(shù)值模擬，采用了實際的非均勻瞬態(tài)溫度場之模擬結(jié)果，取消了以往文獻常作的溫度均勻的人為假設(shè)。得到了如下結(jié)論：

　　(1) 金剛石膜脫離基體之前，金剛石厚膜內(nèi)的熱殘余應(yīng)力呈空間應(yīng)力狀態(tài)，第一主應(yīng)力在膜層中心以外的大部分地方均為拉應(yīng)力，易引起膜開裂破壞；膜/基界面上極大的剪切應(yīng)力是引起金剛石膜從基體上脫離的主要原因。

　　(2) 金剛石膜脫離基體之后，熱殘余應(yīng)力的絕大部分被釋放，自支撐膜內(nèi)最終的殘余應(yīng)力可認為是本征應(yīng)力。