專利名稱：吸收輻射摻硼金剛石復(fù)合膜及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)輻射度測量領(lǐng)域中的一種用于絕對測輻射熱計(jì)中的熱輻 射吸收和熱交換膜片及其制備方法。
技術(shù)背景為了研究地球輻射收支與能量循環(huán)及其對全球環(huán)境和氣候變化的影響， 需要精確測量和長期監(jiān)測太陽輻照度。在衛(wèi)星上用來觀測太陽輻照度的儀器 是絕對測輻射熱計(jì)。在測量太陽輻照度的絕對測輻射熱計(jì)上需要黑色吸收輻 射材料來對輻射進(jìn)行高效吸收。由于在地面上測試太陽輻照度時(shí)必然會(huì)受到 大氣、云層等的干擾，所以絕對測輻射熱計(jì)是安放在氣象衛(wèi)星上進(jìn)行觀測的。 這就要求絕對測輻射熱計(jì)上的吸收輻射材料與熱沉材料不僅要結(jié)合緊密、機(jī) 械性能好，并且要具有高的熱導(dǎo)率和紫外輻照變化小。在本發(fā)明之前，用于 電校準(zhǔn)絕對測輻射熱計(jì)上的吸收輻射材料為用電鍍工藝特殊制作的薄壁銀圓 錐腔及腔內(nèi)表面涂一薄層鏡面反射黑漆，而熱沉材料為金屬鋁筒。這幾種材 料的熱導(dǎo)率不太高，反射黑漆與銀腔的粘附性不強(qiáng)，并且反射黑漆在衛(wèi)星上 長期受紫外線照射后對輻射的吸收率會(huì)逐漸降低，這都會(huì)影響絕對測輻射熱 計(jì)對太陽輻照度的測量，致使輻射計(jì)的測量精度降低、靈敏度低和測量時(shí)間 長。金剛石的晶胞特點(diǎn)使得它具有最高的硬度、最高的熱導(dǎo)率和抗輻射性能， 既是電的絕緣體，又是熱的良導(dǎo)體。所以絕對測輻射熱計(jì)上的熱沉材料如果 采用高純的金剛石片，而吸收輻射材料采用摻硼黑色金剛石膜，將會(huì)獲得極 佳的技術(shù)效果。但是目前由于采用的化學(xué)氣相沉積方法只能制備同一純度的金剛石片，即只能是高純的金剛石片或黑色摻硼的金剛石膜，而很難同時(shí)進(jìn) 行復(fù)合生長，因?yàn)樯L條件如果在生長過程中發(fā)生改變，會(huì)造成輝光不穩(wěn)定 或不同生長層脫落。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是為了解決目前在測量輻射設(shè)備中，如監(jiān)測太陽輻照度的 絕對測輻射熱計(jì)上所用的吸收輻射熱交換膜片存在的缺點(diǎn)，提出一種吸收輻 射摻硼金剛石復(fù)合膜及其制備方法，以提高絕對測輻射熱計(jì)的測量精度和使 用壽命。本發(fā)明吸收輻射摻硼金剛石復(fù)合膜，是由作為熱沉材料的純金剛石片層 和作為光輻射吸收材料的黑色摻硼金剛石膜層復(fù)合而成，所述金剛石片層是熱導(dǎo)率215W/K'cm、電阻率為10" 10"Q'cm的無色透明膜片；所述黑色摻 硼金剛石膜層是由硼原子均勻分布在金剛石晶體中形成，黑色摻硼金剛石膜 的表面以(111)晶面為主的微納尺寸金剛石晶粒組成，其熱導(dǎo)率為10 14W/K'cm、電阻率為103 108lQ'cm，粗糙度為5nm 40jim，黑色摻硼金剛 石的晶粒直徑為lnm 3(Vm，晶體形狀為八面體，晶粒間形成凹坑。 本發(fā)明吸收輻射摻硼金剛石復(fù)合膜的制備方法，包括以下步驟a. 在MW-PCVD微波等離子體化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)設(shè)備中，以H2和CH4 作原料介質(zhì)、金屬鉬片作襯底，在以下工藝條件下進(jìn)行一次化學(xué)氣相沉積制 備無色透明的金剛石片H2流量為200sccm， 014流量為1 3sccm，微波功率為3.8 4.2KW，沉 積氣壓為11 17KPa，襯底溫度為750 950。C。生長速率約1 3pm/h。制備 的金剛石膜的熱導(dǎo)率2l5W/cm，其電阻率為1013 1015&cm， 0.4mm厚， 為無色透明膜。b. 將a步驟獲得的金剛石片進(jìn)行研磨拋光，使其一側(cè)表面粗糙度為 50 100nm，另 一側(cè)表面粗糙度為< 40nm;控制金剛石片厚度在0.3 0.4mm之間；c. 將拋光后的金剛石片切割成所需的形狀尺寸；d. 對切割后的金剛石片進(jìn)行下述表面預(yù)處理，先用鉻酸溶液浸泡30分 鐘以上，然后用去離子水沖洗，即去除了金剛石片上的雜質(zhì)和油脂，再將其 置于丙酮溶液中超聲清洗15分鐘，再置于酒精溶液中超聲清洗15分鐘；最 后置于去離子水中超聲清洗15分鐘，置于15(TC熱板上烘干；e. 在上述處理后的金剛石片的表面粗糙度為50 100nm的一側(cè)面 上進(jìn)行二次化學(xué)氣相沉積黑色摻硼金剛石膜，即將上述處理后的熱沉金剛石 片放置在HC-PCVD熱陰極直流等離子體化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)的試樣臺(tái)上，在以 下工藝條件進(jìn)行黑色金剛石薄膜的沉積氫氣的流量為170 sccm、甲垸的流 量為8 5sccm、硼酸三甲酯的流量為8 12sccm，沉積室內(nèi)的溫度為780 900°C、沉積室內(nèi)的氣壓為125 135Torr，施加偏壓710 760V，電流為8. 3 8. 9A。沉積時(shí)間2 5小時(shí)，使摻硼黑色金剛石薄膜的厚度介于10nm 4(Vm。獲得的黑色摻硼金剛石膜的表面以(111)晶面為主的微納尺寸金剛石晶粒組 成，其熱導(dǎo)率為10 14W/cm、電阻率為103 108Q'cm。步驟a所述的金屬鉬片襯底，在氣相沉積熱沉金剛石片前按以下方式進(jìn) 行預(yù)處理用金剛石研磨膏研磨15分鐘，然后在丙酮溶液中超聲處理10分 鐘，再在酒精溶液中超聲處理10分鐘。步驟b所述的金剛石片的研磨拋光是先采用表面化學(xué)刻蝕，然后機(jī) 械研磨拋光，對金剛石膜雙面拋光。步驟c所述的金剛石片切割是采用YAG激光切割技術(shù)對金剛石片進(jìn)行高 精度切割，步驟d所述的鉻酸溶液為0203溶于濃硫酸后所得到的飽和溶液。 步驟e中，在二次化學(xué)氣相沉積黑色金剛石膜時(shí)，在沉積前對HC-PCVD 熱陰極直流等離子體化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)中的加熱源鉭電極進(jìn)行表面打磨凈化處理，并用氫氣和丙酮加熱預(yù)處理30分鐘，使鉭電極表面去除氧化層雜質(zhì)， 并在鉭電極表面形成一層碳化鉭覆蓋層，以抑制過程中鉭的揮發(fā)和減少金屬 雜質(zhì)的引入。本發(fā)明方法制備的吸收輻射慘硼金剛石復(fù)合膜具有抗熱沖擊能力強(qiáng)、對輻射的吸收率較高，達(dá)99% 99.2%，且長期穩(wěn)定不變的優(yōu)點(diǎn)；熱沉材料和吸收輻射材料表面粘附力強(qiáng)。因此可提高絕對測輻射熱計(jì)的測量精度和靈敏度，測量周期變短；提高了絕對測輻射熱計(jì)在衛(wèi)星上的工作條件下的適應(yīng)性。


圖1為本發(fā)明吸收輻射摻硼金剛石復(fù)合膜的黑色摻硼金剛石膜的表面形態(tài)。
具體實(shí)施方式
以下通過實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步闡述。 實(shí)施例1本發(fā)明吸收輻射摻硼金剛石復(fù)合膜的制備方法，包括以下步驟(1) 一次化學(xué)氣相沉積制備作為熱沉材料的純金剛石片。熱沉片金剛石片是采用MW-PCVD微波等離子體化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)制備 的，它屬于無極放電方法，在較低氣壓下可得到品質(zhì)極高的高純透明金剛石 膜。沉積時(shí)襯底采用金屬鉬板，襯底處理方法是采用金剛石研磨膏研磨30分 鐘，然后用丙酮、酒精各超聲處理10分鐘。氫氣和甲烷都是通過質(zhì)量流量計(jì) 控制流量，H2流量為200sccm， CH4流量為3sccm，微波功率為4.2KW，沉 積氣壓為llKPa，襯底溫度為85(TC，生長速率約3pm/h。制備的金剛石膜片 的熱導(dǎo)率為15W/K*cm，其電阻率為1013^cm， 0.4mm厚，為無色透明膜。(2) 研磨拋光熱沉金剛石片。由于金屬鉬與金剛石之問存在較大的熱膨脹系數(shù)上的差異，因此金剛石 膜在冷卻過程中很容易從基片上自動(dòng)脫離，然后把用MW-PCVD制備的金剛石片采用表面化學(xué)刻蝕、機(jī)械拋光研磨的方法對金剛石膜雙面拋光，使其一側(cè)表面的粗糙度為50 100nm (rms)，另一側(cè)表面的粗糙度 小于40nm ( rms)。.(3)切割熱沉金剛石片。 采用YAG激光切割技術(shù)對金剛石膜進(jìn)行高精度切割，達(dá)到所需設(shè)計(jì)尺寸。(4) 熱沉金剛石片的表面預(yù)處理。先用鉻酸浸泡加熱到300°C，加熱時(shí)間為50分鐘，所用的鉻酸為Cr203 溶于濃硫酸后所得到的飽和溶液；隨即用大量的去離子水沖洗，這樣去掉了 熱沉片上的雜質(zhì)和油脂；然后置于丙酮溶液中超聲清洗15分鐘；再置于酒精 中超聲清洗15分鐘；最后置于去離子水中超聲清洗15分鐘，置于15(TC熱 板上烘干。(5) 在上述處理后的金剛石片的表面粗糙度為50 100nm的一側(cè)面 上進(jìn)行二次化學(xué)氣相沉積黑色摻硼金剛石膜。將上述經(jīng)處理后的熱沉金剛石片放置在HC-PCVD熱陰極直流等離子體化 學(xué)氣相沉積系統(tǒng)的試樣臺(tái)上，進(jìn)行黑色摻硼金剛石薄膜的沉積。沉積前對對 HC-PCVD熱陰極直流等離子體化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)中的加熱源鉭電極進(jìn)行表面 打磨凈化處理，并用氫氣和丙酮加熱預(yù)處理30分鐘，使鉭電極表面去除氧化 層雜質(zhì)，并在鉭電極表面形成一層碳化鉭覆蓋層，以抑制過程中鉭的揮發(fā)和 減少雜質(zhì)的引入。以H2和CH4和硼酸三甲酯作沉積氣體，沉積過程中采用的 硼源為硼酸三甲酯[B(0CH3)3]。硼酸三甲酯易揮發(fā)，可由氫氣攜帶進(jìn)入反應(yīng)室， 其流量由質(zhì)量流量計(jì)控制。二次化學(xué)氣相沉積黑色摻硼金剛石膜的工藝條件為氫氣和甲烷的流量 為H2=170sccm， CH4=8sccm，硼酸三甲酯的流量為12 sccm;沉積室內(nèi) 的溫度為900。C;沉積室內(nèi)的氣壓為135Torr;施加偏壓760V,電流為8. 9A，沉積時(shí)間為3小時(shí)，獲得的黑色摻硼金剛石薄膜的厚度介于20 30|_mi。黑色 摻硼金剛石膜是由大量的硼原子均勻分布在金剛石晶體中形成。摻硼黑色金 剛石薄膜的表面以(111)晶面為主的微納尺寸金剛石晶粒組成，熱導(dǎo)率為 10W/K'cm，其電阻率為103Q'cm，粗糙度為5nm 3(Vm，黑色摻硼金剛石 的晶粒直徑為lnm 3(Vm，晶體形狀為八面體，晶粒間形成凹坑。 實(shí)施例2按實(shí)施例1同樣方法步驟制備吸收輻射摻硼金剛石復(fù)合膜，其區(qū)別僅在于(1) 一次化學(xué)氣相沉積熱沉金剛石片的工藝條件是H2流量為200sccm， CHU流量為lsccm，微波功率為3.8KW，沉積氣壓為17KPa，襯底溫度為950°C ， 生長速率約lpm/h。所獲得的金剛石膜片的熱導(dǎo)率為18W/Kxm、電阻率為 1015Q.cm。(2) 二次化學(xué)氣相沉積黑色摻硼金剛石膜的工藝條件為氫氣和甲垸的流量為H2=170sccm， CH4二5sccm，，硼酸三甲酯的流量為8 sccm;沉積室 內(nèi)的溫度為78(TC;沉積室內(nèi)的氣壓為125 Torr;施加偏壓710V,電流為8. 3A， 沉積時(shí)間為4小時(shí)。黑色摻硼金剛石薄膜的表面以(111)晶面為主的微納尺 寸金剛石晶粒組成，熱導(dǎo)率為14\V/K，cm，其電阻率為108^cm，粗糙度為 5nm 30|im，黑色摻硼金剛石的晶粒直徑為lnm 30pm，晶體形狀為八面體， 晶粒間形成凹坑。 實(shí)施例3按實(shí)施例1同樣方法步驟制備吸收輻射摻硼金剛石復(fù)合膜，其區(qū)別僅在于(1) 一次化學(xué)氣相沉積熱沉金剛石片的工藝條件是H2流量為200sccm， CH4流量為2sccm，微波功率為4KW，沉積氣壓為13KPa，襯底溫度為750°C， 生長速率約2iam/h。制備的金剛石片的熱導(dǎo)率為17W/K《m，其電阻率為101Q.cm。(2) 二次化學(xué)氣相沉積黑色摻硼金剛石膜的工藝條件為氫氣和甲烷的流量為H2=170sccm， CH4=7sccm，，硼酸三甲酯的流量為10 sccm;沉積室 內(nèi)的溫度為85(TC;沉積室內(nèi)的氣壓為130Torr;施加偏壓740V，電流為8. 7A， 沉積時(shí)間為4小時(shí)。黑色摻硼金剛石薄膜的表面以(111)晶面為主的微納尺 寸金剛石晶粒組成，熱導(dǎo)率為12W/cm，其電阻率為10tcm，粗糙度為 5nm 3(Vm，黑色摻硼金剛石的晶粒直徑為lnm 30|im，晶體形狀為八面體， 晶粒間形成凹坑。
權(quán)利要求
1.一種吸收輻射摻硼金剛石復(fù)合膜，其特征在于，由作為熱沉材料的純金剛石片層和作為光輻射吸收材料的黑色摻硼金剛石膜層復(fù)合而成，所述金剛石片層是熱導(dǎo)率≥15W/K·cm、電阻率為1013～1015Ω·cm的無色透明膜片；所述黑色摻硼金剛石膜層是由硼原子均勻分布在金剛石晶體中形成，黑色摻硼金剛石膜的表面以(111)晶面為主的微納尺寸金剛石晶粒組成，其熱導(dǎo)率為10～14W/K·cm、電阻率為103～108Ω·cm，粗糙度為5nm～30μm，黑色摻硼金剛石的晶粒直徑為1nm～30μm，晶體形狀為八面體，晶粒間形成凹坑。
2. —種權(quán)利要求1所述的吸收輻射摻硼金剛石復(fù)合膜的制備方法，其特 征在于包括以下步驟a. 在MW-PCVD微波等離子體化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)設(shè)備中，以金屬鉬片作 襯底，在如下工藝條件進(jìn)行一次化學(xué)氣相沉積制備無色透明的金剛石片H2 流量為200sccm， CH4流量為1 3sccm，微波功率為3.8 4.2KW，沉積氣壓 為11 17KPa，襯底溫度為750 950°C;b. 將a步驟獲得的金剛石片進(jìn)行研磨拋光，使其一側(cè)表面粗糙度為 50 100nm，另 一側(cè)表面粗糙度小于40nm;c. 將拋光后的金剛石片切割成所需的形狀尺寸；d. 對切割后的金剛石片進(jìn)行下述表面預(yù)處理，先用鉻酸溶液浸泡30分 鐘以上，然后用去離子水沖洗，即去除了金剛石片上的雜質(zhì)和油脂，再將其 置于丙酮溶液中超聲清洗15分鐘，再置于酒精溶液中超聲清洗15分鐘；最 后置于去離子水中超聲清洗15分鐘，置于15(TC熱板上烘干；e. 在上述處理后的金剛石片的表面粗糙度為50 100nm的一側(cè)面 上進(jìn)行二次化學(xué)氣相沉積黑色摻硼金剛石膜，即將上述處理后的熱沉金剛石 片放置在HC-PCVD熱陰極直流等離子體化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)的試樣臺(tái)上，在以下工藝條件進(jìn)行黑色金剛石薄膜的沉積氫氣的流量為170 sccm、甲烷的流量為8 5sccm、硼酸三甲酯的流量為8 12sccm，沉積室內(nèi)的溫度為780 900°C、沉積室內(nèi)的氣壓為125 135Torr，施加偏壓710 760V，電流為8. 3 8.9A。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的吸收輻射摻硼金剛石復(fù)合膜的制備方法，其特 征在于步驟a所述的金屬鉬襯底，在氣相沉積熱沉金剛石片前按以下方式進(jìn) 行預(yù)處理用金剛石研磨膏研磨15分鐘，然后在丙酮溶液中超聲處理10分 鐘，再在酒精溶液中超聲處理10分鐘。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的吸收輻射摻硼金剛石復(fù)合膜的制備方法，其特 征在于步驟b所述的金剛石片的研磨拋光是先采用表面化學(xué)刻蝕，然后機(jī) 械研磨拋光，對金剛石膜雙面拋光。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的吸收輻射摻硼金剛石復(fù)合膜的制備方法，其 特征在于步驟c所述的金剛石片切割是采用YAG激光切割技術(shù)對金剛石片進(jìn) 行高精度切割，
6. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的吸收輻射摻硼金剛石復(fù)合膜的制備方法，其特 征在于步驟d所述的鉻酸溶液為0203溶于濃硫酸后所得到的飽和溶液。
7. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的吸收輻射摻硼金剛石復(fù)合膜的制備方法，其特 征在于步驟e中所述在二次化學(xué)氣相沉積黑色金剛石膜時(shí)，在沉積前對 HC-PCVD熱陰極直流等離子體化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)中的加熱源鉭電極進(jìn)行表面 打磨凈化處理，并用氫氣和丙酮加熱預(yù)處理30分鐘，使鉭電極表面去除氧化 層雜質(zhì)，并在鉭電極表面形成一層碳化鉭覆蓋層，以抑制過程中鉭的揮發(fā)和 減少金屬雜質(zhì)的引入。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于絕對測輻射熱計(jì)中熱交換膜片及其制備的方法，特別是一種吸收輻射摻硼金剛石復(fù)合膜及其制備方法。本發(fā)明吸收輻射摻硼金剛石復(fù)合膜，是由作為熱沉材料的純金剛石片層和作為光輻射吸收材料的黑色摻硼金剛石膜層復(fù)合而成。其制備方法，是先通過一次化學(xué)氣相沉積制備熱沉金剛石片，再在金剛石片上通過二次化學(xué)氣相沉積黑色摻硼金剛石膜層。本發(fā)明吸收輻射摻硼金剛石復(fù)合膜具有抗熱沖擊能力強(qiáng)、對輻射的吸收率較高，達(dá)99％～99.2％，且長期穩(wěn)定不變的優(yōu)點(diǎn)；熱沉材料和吸收輻射材料表面粘附力強(qiáng)。因此可提高輻射熱計(jì)的測量精度和靈敏度，測量周期變短；提高了絕對測輻射熱計(jì)在衛(wèi)星上的工作條件下的適應(yīng)性。
文檔編號(hào)G01J5/02GK101246049SQ200810050499
公開日2008年8月20日 申請日期2008年3月18日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月18日
發(fā)明者偉 方, 梁中翥, 梁靜秋, 王維彪 申請人:中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所