專利名稱：吸收輻射復(fù)合金剛石熱交換膜片及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種適用于測(cè)量輻射設(shè)備的吸收輻射復(fù)合金剛石熱交換膜片 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(duì)全球環(huán)境和氣候變化的影響， 需要精確測(cè)量和長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)太陽輻照度。在衛(wèi)星上用來觀測(cè)太陽輻照度的儀器 是絕對(duì)測(cè)輻射熱計(jì)，它的測(cè)量原理是利用光電等效性，即用電功率標(biāo)定光功 率的熱電型探測(cè)器，把照射到絕對(duì)測(cè)輻射熱計(jì)上的未知輻射照度的熱效應(yīng)同 已知電功率(測(cè)定加熱電流強(qiáng)度和電壓)的熱效應(yīng)進(jìn)行比較，使加熱的電功 率等效于接收的輻射功率，用電功率再現(xiàn)的方法標(biāo)定輻射標(biāo)度。因此，在測(cè) 量太陽輻照度的絕對(duì)測(cè)輻射熱計(jì)上需要吸收黑材料層來對(duì)輻射進(jìn)行吸收。由 于在地面上測(cè)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(duì)測(cè) 輻射熱計(jì)是安放在氣象衛(wèi)星上進(jìn)行觀測(cè)的。這就要求絕對(duì)測(cè)輻射熱計(jì)上的黑 色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(duì)測(cè)輻射熱計(jì)上的 黑色吸收輻射材料是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(zhǎng)期受紫外線照射后對(duì) 輻射的吸收率會(huì)逐漸降低，這都會(huì)影響絕對(duì)測(cè)輻射熱計(jì)對(duì)太陽輻照度的測(cè)量， 致使輻射計(jì)的測(cè)量精度降低、靈敏度低和測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)。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(duì)測(cè)輻射熱計(jì)上的熱沉材料最好 選用高純的金剛石膜片，而用于光輻射吸收的材料采用黑色含高石墨相碳的 金剛石膜，但是目前由于采用的化學(xué)氣相沉積方法生長(zhǎng)的金剛石膜通常只能 具有一種性質(zhì)，即只能是高純的金剛石膜或含石墨相碳的黑色金剛石膜，高 純金剛石膜熱導(dǎo)率高但不吸收輻射，而含石墨相的黑色金剛石膜吸收輻射但 熱導(dǎo)率不夠高，因此，這種單一性質(zhì)的金剛石膜片不能同時(shí)滿足熱交換膜片 的要求既吸收輻射又具有高的熱導(dǎo)率。現(xiàn)有技術(shù)很難進(jìn)行兩種性質(zhì)的金剛 石的同時(shí)生長(zhǎng)，因?yàn)樯L(zhǎng)條件如果在生長(zhǎng)過程中發(fā)生改變，會(huì)造成輝光不穩(wěn) 定或不同生長(zhǎng)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(cè)量輻射設(shè)備中，如監(jiān)測(cè)太陽輻照度的 絕對(duì)輻射計(jì)上所用的吸收輻射熱交換膜片存在的缺點(diǎn)，提出一種吸收輻射復(fù) 合金剛石熱交換膜片及其制備方法。本發(fā)明吸收輻射復(fù)合金剛石熱交換膜片，是由含有石墨相碳的黑色金剛 石膜層與純金剛石片層復(fù)合而成，純金剛石片層作為熱沉材料，而含有石墨 相的黑色金剛石膜層用作光輻射吸收材料；所述含有石墨相的黑色金剛石膜 層是由大量的石墨相碳原子均勻分布在金剛石晶體中形成，該膜層的熱導(dǎo)率為6 8W/K*cm、電阻率為108 1012Q*cm，該膜層表面具有微納米凹凸結(jié)構(gòu)， 粗糙度為5nm 15^im，該膜層金剛石的晶粒直徑為lnm 10pm，晶粒間形成 凹坑，在凹坑周圍形成以(111)晶面為主的直立的微納米尺寸金剛石晶粒陣 列，形成光局域化膜，膜層厚度介于100nm 3(Him。所述純金剛石片層的熱 導(dǎo)率^15W/K'cm、電阻率為1013 1015Q*cm。本發(fā)明吸收輻射復(fù)合金剛石熱交換膜片的制備方法，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112和CH4 作原料介質(zhì)、金屬鉬片作襯底，在以下工藝條件進(jìn)行一次化學(xué)氣相沉積制備無色透明的熱沉金剛石片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(zhǎng)速率約l 3pm/h。制備 的金剛石膜的熱導(dǎo)率215W/K'cm，其電阻率為1013 1015Q'cm， 0.4mm厚， 為無色透明膜。b. 由于金屬鉬與金剛石之間存在較大的熱膨脹系數(shù)上的差異，因此金剛 石膜片在冷卻過程中很容易從基片上自動(dòng)脫離，將a步驟獲得的金剛石熱沉 片進(jìn)行研磨拋光，使其一側(cè)表面粗糙度為50 100nm (rms)，另 一側(cè) 表面粗糙度小于40nm (rms);c. 將拋光后的金剛石熱沉片切割成所需的形狀尺寸；d. 對(duì)切割后的金剛石熱沉片進(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，即去除了熱沉片上的雜質(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. 在上述處理后的熱沉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)氣相沉積含石墨相碳的黑色金剛石膜，即將上述處理后的 金剛石熱沉片放置在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流量為160sccm、 甲烷的流量為15 5 sccm，沉積室內(nèi)的溫度為750 85(TC、沉積室內(nèi)的氣壓 為125 135Torr，施加偏壓700 750V,電流為8.2 8.8A。步驟a中所述的金屬鉬襯底，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。步驟b所述的金剛石熱沉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(duì)金剛石膜雙面拋光。步驟c所述的金剛石熱沉片切割是采用YAG激光切割技術(shù)對(duì)金剛石片進(jìn)行高精度切割。步驟d所述的鉻酸溶液為Cr203溶于濃硫酸后所得到的飽和溶液。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(duì) 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)明采用二次化學(xué)氣相沉積方法制成的同時(shí)具有熱沉材料層和吸收輻 射的黑色材料層的復(fù)合金剛石熱交換膜片，具有抗熱沖擊能力強(qiáng)、吸收輻射 材料層受輻射后吸收率穩(wěn)定無變化的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)輻射的吸收率較高，達(dá)99% 99.2%，特別適用于絕對(duì)測(cè)輻射熱計(jì)的熱交換器件，提高了輻射計(jì)的測(cè)量精 度和靈敏度，測(cè)量周期變短，大大提高了絕對(duì)測(cè)輻射熱計(jì)在衛(wèi)星上工作條件 的適應(yīng)性。


圖1為本發(fā)明吸收輻射復(fù)合金剛石熱交換膜片的黑色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(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步闡述。 實(shí)施例1吸收輻射復(fù)合金剛石熱交換膜片的制備方法，具體工藝過程如下 a. —次化學(xué)氣相沉積金剛石熱沉片。采用MW-PCVD微波等離子體化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)制備金剛石熱沉片，以 H2和CH4作原料介質(zhì)、金屬鉬片作襯底，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。襯底處理方法是采用金剛石研磨膏研磨15分鐘，然后用丙酮、酒精各超聲處理10分鐘。氫氣和甲垸都是通過質(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(zhǎng)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 Q'cm， 0.4mm厚，為無色透明膜。b. 研磨拋光金剛石熱沉片。由于金屬鉬與金剛石之間存在較大的熱膨脹 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0.4mm厚金剛石膜先采用表面化學(xué)刻蝕，然后機(jī) 械研磨拋光(金剛石膜鏡面拋光機(jī))相結(jié)合的方法對(duì)金剛石膜雙面 拋光，得到金剛石膜片厚度為0.35mm，金剛石片的一側(cè)表面粗糙度 為50 100nm (rms)，另 一側(cè)表面粗糙度小于40nm ( rms)。c. 切割金剛石熱沉片。采用YAG激光切割實(shí)現(xiàn)金剛石膜的高精度切割， 尺寸誤差約在0.05 0.1mm之間，最后得到1.5x12x0.35mm的金剛石熱沉片。d. 金剛石熱沉片的表面預(yù)處理。先用鉻酸浸泡加熱到30CTC，加熱時(shí)間為 50分鐘，所用的鉻酸為0203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。e. 二次化學(xué)氣相沉積黑色金剛石膜。將上述經(jīng)處理的金剛石熱沉片放置 在HC-PCVD熱朋極直流等離子體化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)的試樣臺(tái)上，在粗糙度 為50 100nm的 一側(cè)表面上進(jìn)行黑色金剛石薄膜的沉積。沉積前對(duì) 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。二次化學(xué)氣相沉積黑色金剛石膜的工藝參數(shù)為氫氣和甲烷的流量分別為H2=160sccm， CH4 = 5sccm，；沉積室內(nèi)的溫度為700°C; 沉積室內(nèi)的氣壓為130Torr;施加偏壓700V,電流為8.2A;沉積時(shí)間為2小時(shí)。 獲得厚度為20pm的黑色金剛石膜層。該膜即為含有石墨相的黑色金剛石膜 層，其熱導(dǎo)率為6W/K*cm、電阻率為108Q，cm，該膜層表面具有微納米凹凸 結(jié)構(gòu)，粗糙度為15pm，該膜層金剛石的晶粒直徑為lnm l(Vm，晶粒間形 成凹坑，在凹坑周圍形成以(111)晶面為主的直立的微納米尺寸金剛石晶粒 陣列，形成光局域化膜。即獲得由含有石墨相的黑色金剛石膜層與純金剛石片層復(fù)合而成的吸收 輻射復(fù)合金剛石熱交換膜片。實(shí)施例2按實(shí)施例1同樣方法步驟制備吸收輻射復(fù)合金剛石熱交換膜片，其區(qū)別 僅在于(1) 一次化學(xué)氣相沉積金剛石熱沉片的沉積工藝條件是H2流量為 200sccm， CH4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(zhǎng)速率約l|im/h。所獲得的金剛石膜片的熱導(dǎo)率為 18W/K.cm、電阻率為1015Q.cm。(2) 二次化學(xué)氣相沉積黑色金剛石膜層的沉積工藝條件是氫氣和甲烷 的流量分別為H2=160sccm， CH4=15sccm，；沉積室內(nèi)的溫度為750°C;沉 積室內(nèi)的氣壓為135Torr;施加偏壓750V,電流為8.8A;沉積時(shí)間3小時(shí)。獲 得的黑色金剛石膜層的熱導(dǎo)率為8W/K，cm、其電阻率為1012Q*cm，粗糙度為 10pm，黑色金剛石的晶粒直徑為10nm 10pm，厚度為100nm 30|im。實(shí)施例3按實(shí)施例1同樣方法步驟制備吸收輻射復(fù)合金剛石熱交換膜片，其區(qū)別 僅在于(1) 一次化學(xué)氣相沉積金剛石熱沉片的沉積工藝條件是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75(TC，生長(zhǎng)速率約2(im/h。制備的金剛石片的熱導(dǎo)率為17W/cm，其 電阻率為10"^cm。 '(2) 二次化學(xué)氣相沉積黑色金剛石膜層的沉積工藝條件是氫氣和甲垸的流量分別為H2=160sccm， CH4=10sccm，；沉積室內(nèi)的溫度為850°C;沉積 室內(nèi)的氣壓為125Torr;沉積時(shí)間為2小時(shí)。獲得的黑色金剛石膜層的熱導(dǎo)率 為7W/K*cm、電阻率為1()UQ，cm，粗糙度為12|im，黑色金剛石的晶粒直徑 為10nm 10nm，厚度為100nm 25pm。
權(quán)利要求
1.一種吸收輻射復(fù)合金剛石熱交換膜片，其特征在于，是由含有石墨相的黑色金剛石膜層與純金剛石片層復(fù)合而成，純金剛石片層作為熱沉材料，含有石墨相的黑色金剛石膜層作為光輻射吸收材料；所述含有石墨相的黑色金剛石膜層是由石墨相碳原子均勻分布在金剛石晶體中形成，該膜層的熱導(dǎo)率為6～8W/K·cm、電阻率為108～1012Ω·cm，該膜層表面具有微納米凹凸結(jié)構(gòu)，粗糙度為5nm～15μm；所述純金剛石膜片層的熱導(dǎo)率≥15W/K·cm、電阻率為1013～1015Ω·cm。
2. —種制備權(quán)利要求1所述的熱交換膜片的方法，其特征包括以下步驟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112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 備無色透明的熱沉金剛石片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 ;b. 將a步驟獲得的金剛石熱沉片進(jìn)行研磨拋光，使其一側(cè)表面粗糙度 為50 100nm (rms)，另 一側(cè)表面粗糙度為<40nm (rms);c. 將拋光后的金剛石熱沉片切割成所需的形狀尺寸；d. 對(duì)切割后的金剛石熱沉片進(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，即去除了熱沉片上的雜質(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. 在上述處理后的熱沉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)氣相沉積含石墨相碳的黑色金剛石膜，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)上在以下工藝條件下進(jìn)行黑色金剛石薄膜的沉積氫氣流量為160 sccm、甲垸的流量為15 5sccm，沉積室內(nèi)的溫度為750 850°C、沉積室內(nèi)的氣壓 為125 135Torr，施加偏壓700 750V,電流為8.2 8.8A。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的吸收輻射復(fù)合金剛石熱交換膜片的制備方法， 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所述的吸收輻射復(fù)合金剛石熱交換膜片的制備方法， 其特征在于步驟b所述的金剛石熱沉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(duì)金剛石膜雙面拋光。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的吸收輻射復(fù)合金剛石熱交換膜片的制備方法， 其特征在于步驟c所述的金剛石熱沉片切割是采用YAG激光切割技術(shù)對(duì)金剛 石片進(jìn)行高精度切割。
6. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的吸收輻射復(fù)合金剛石熱交換膜片的制備方法， 其特征在于步驟d所述的鉻酸溶液為Cr203溶于濃硫酸后所得到的飽和溶液。
7. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的吸收輻射復(fù)合金剛石熱交換膜片的制備方法， 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(duì) 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)明涉及一種適用于測(cè)量輻射設(shè)備的吸收輻射復(fù)合金剛石熱交換膜片及其制備方法，該復(fù)合金剛石熱交換膜片是由含有石墨相的黑色金剛石膜層與純金剛石片層復(fù)合而成，純金剛石片層作為熱沉材料，含有石墨相的黑色金剛石膜層作為光輻射吸收材料。其制備方法是通過一次化學(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)氣相沉積含有石墨相的黑色金剛石膜層。本發(fā)明復(fù)合金剛石熱交換膜片具有抗熱沖擊能力強(qiáng)、吸收輻射材料層受輻射后吸收率穩(wěn)定無變化的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)輻射的吸收率較高，達(dá)99％～99.2％，提高了輻射計(jì)的測(cè)量精度和靈敏度。
文檔編號(hào)G01J5/02GK101251421SQ20081005050
公開日2008年8月27日 申請(qǐng)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(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所