CN116555762A - 一种金刚石系红外复合窗口材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种金刚石系红外复合窗口材料，包括铝氧化物基底、过渡层和金刚石层，所述过渡层包括AlN层、Si3N4层和SiC层；其中，在铝氧化物基底表面沉积AlN层，在所述AlN层表面沉积Si3N4层，在Si3N4层表面沉积SiC层，在SiC层表面沉积金刚石层。该金刚石系红外复合窗口材料在中波红外波段(3‑5μm)具有较高的透过率，热导率和界面结合率。本发明还公开了该金刚石系红外复合窗口材料的制备方法。
Description
技术领域
本发明属于红外与光电制导材料技术领域，具体涉及一种金刚石系红外复合窗口材料及其制备方法。
背景技术
红外制导具有精度高、抗干扰能力强等优势，因此受到世界各国高度重视。当前世界范围内红外制导系统应用最多、最为成熟的方案是中波红外制导。可用作中波红外谱段的红外光学材料，有蓝宝石(即Al2O3单晶)、MgF2、氧化物透明陶瓷(如Y2O3、MgAl2O4、AlON、LiAlON、MgAlON)等。随着超高速飞行器技术的发展，飞行速度的增大势必带来更严重的气动加热效应，作为红外窗口材料，当面临高气动热环境时，由于红外窗口材料较低的热导率，高马赫数飞行中的气动加热会使热量无法快速传导从而更易集中，会使驻点与其余部分产生极大的温差，造成极大热应力，容易造成窗口的破裂失效。上述提到的传统红外光学窗口材料，热导率均较低(仅有10–30W/m℃)。因此，迫切需要一种方案来改善它们的热学性能，拓宽传统红外窗口材料服役极限。
金刚石具有优异的力学、热学与光学性能，其超高的硬度(～100GPa)、超高的热导率(理论值～2000W/m℃)、以及超宽的透光谱段(紫外到远红外甚至微波波段)，使得金刚石红外材料成为极端环境应用的极佳选择。然而，金刚石体材料制备技术尚不成熟，而且在中红外(3–5μm)波段有很强的本征吸收，并不适合以“厚层”体材料的形式作为中波红外窗口。基于光学本征吸收随厚度增加的原理，随着光学材料厚度的减小，中波红外本征吸收也将减弱。因此，当在传统的中红外窗口材料上，覆盖一层“薄”金刚石时，有望实现金刚石在中红外波段的应用，若能再与传统的低热导率中红外材料进行复合，可为传统的红外窗口材料提供很好的热疏散性能。
然而，金刚石与传统红外材料之间存在极大的热失配与晶格失配，这让它们很难直接且良好地结合。目前较常用的方法是在基底上预先沉积过渡层，然后再在过渡层上生长金刚石。现有光学窗口复合金刚石层的研究多集中在ZnS基底材料上，目的是改善ZnS力学性能。
总的来说，金刚石难以与传统的红外光学材料基底结合的主要原因是在热胀冷缩过程中，金刚石与基底间较大的热膨胀系数差异、以及晶格失配带来的应力，使得金刚石难以在基底表面形核，且生长结束后的降温过程层层极易崩裂。此外，金刚石与基底还存在较大折射率的差异。因此，单一过渡层，难以满足折射率与热膨胀系数梯度变化要求。
发明内容
本发明提供一种金刚石系红外复合窗口材料，该金刚石系红外复合窗口材料在中波红外波段(3-5μm)具有较高的透过率、热导率和界面结合率。
本发明具体实施例提供了一种金刚石系红外复合窗口材料，包括铝氧化物基底、过渡层和金刚石层，所述过渡层包括AlN层、Si3N4层和SiC层；
其中，在铝氧化物基底表面沉积氮化铝层，在所述AlN层表面沉积Si3N4层，在Si3N4层表面沉积SiC层，在SiC层表面沉积金刚石层。
本发明通过选择热膨胀系数介于铝氧化物基底和金刚石之间的材料作为过渡层，由于热膨胀系数的梯度变化，使得在高气动热环境下，金刚石不易脱落，具有较高的界面结合强度，又由于每相邻层均具有相同的元素，使得在沉积过程中形成了化学键连接，由于化学键不易受热断裂，且相邻层的晶格参数较为接近，从而进一步加强了界面结合强度，使得在高气动热环境下金刚石层不易脱落。
本发明由于在每个相邻层均具有相同的元素，通过沉积的方式进行化学键连接，因此避免了每层之间由于存在空气从而形成的多界面反射，进而导致对中波红外波段光吸收的情况，达到了减少光损耗，增加透光率的目的。
进一步的，所述的铝氧化物基底的材料为蓝宝石、LiAlON陶瓷、MgAlON陶瓷或AlON陶瓷。
进一步的，所述的铝氧化物基底的尺寸为Ф10–30mm×1–3mm。
进一步的，所述的铝氧化物基底的中波红外波段的光学透过率不低于75％。通过获得具有较高的中波红外波段的光学透光率的铝氧化物基底，为获得具有较高中波红外波段透光率的红外复合窗口提供基础。
在保证物理结合牢固的基础上，对界面的光学损耗进行优化，以获得较高的透过率。基于光学薄膜干涉理论，开展金刚石和蓝宝石界面的减反射薄膜设计。以金刚石作为光入射介质，蓝宝石作为光出射介质，SiC、Si3N4和AlN分别作为高折射率介质(H)、中折射率介质(M)和低折射率介质(L)。基本膜系结构为：蓝宝石/L M H/金刚石,调控设计参考波长，降低3-5μm反射率。在此基础上以3-5μm的低反射率为目标，通过膜系设计进一步开展数值优化计算，获得最终膜系结构。此时，AlN层的厚度为200–400nm，所述的Si3N4层的厚度为200–500nm，所述的SiC层的厚度为150–300nm，所述的金刚石层的厚度为10-100μm。基底主要起到主体支撑的作用，厚度不低于1mm，优选1–3mm。
本发明还提供了一种金刚石系红外复合窗口材料的制备方法，包括：
(1)获得铝氧化物基底，采用直流磁控溅射方法，以N2为反应气体，以Al靶为原料，在Ar气氛下，在铝氧化物基底表面溅射沉积AlN层；
(2)采用射频磁控溅射，以N2为反应气体，以Si靶为原料，在Ar气氛和在450–500℃温度下，在步骤(1)得到的AlN层表面反应溅射100–200min得到Si3N4层。温度如果过高，沉积速率过快，容易形成较大应力，而且沉积的颗粒间容易形成空隙，造成光学散射，影响光学透过率；温度如果太低，沉积速率太慢、效率低，且膜层的质量也会受到影响。因此制定合适的温度范围。
(3)采用射频磁控溅射，以SiC靶材为原料，在Ar气氛和100–150℃下，在步骤(2)得到的Si3N4层表面反应溅射50–100min得到SiC层。这一阶段，温度的设置考虑也同上；
(4)通过微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)方法，以CH4/H2混合气体为反应气体，在温度为在800–900℃下，在步骤(3)得到的SiC层表面持续生长10-15h得到金刚石层，抛光所述金刚石层得到金刚石系红外复合窗口材料。
本发明通过利用较为常规的沉积技术将各个层进行化学键键合从而获得具有较高透过率、较高的表面热传导率、较高耐热冲击性能和膜层结合性能的金刚石系红外复合窗口材料。
步骤(1)中：
进一步的，所述Ar和N2的纯度均不低于99.99％，Al靶材的纯度不低于99.9％，通入的N2、Ar气的流量比例为1:2–1:3，其中，Ar的流量为10–30sccm。Ar流量或比例如果过高，则制约沉积反应的活性或速度；过低则速率过快，生长过程不易控制，易形成缺陷结构影响力学、热学及光学性能。
进一步的，所述在铝氧化物基底表面溅射沉积AlN层，溅射过程中，溅射功率为100–200W，溅射气压为1.0-4.0Pa。
进一步的，步骤(2)中，所述气体N2的纯度不低于99.99％，通入的N2、Ar气的流量比例为1:1–1:3，其中，N2的流量为5–10sccm。N2流量或比例如果过低，则制约沉积反应的活性或速度；过高则速率过快，生长过程不易控制，易形成缺陷结构影响力学、热学及光学性能。所述反应溅射过程中，溅射功率为100–200W，溅射气压为0.5–1.0Pa。
步骤(3)中：
进一步的，所述气体Ar的纯度不低于99.99％，通入Ar的流量为10–30sccm。
进一步的，SiC靶材的纯度不低于99.9％。
进一步的，所述在步骤(2)得到的Si3N4层表面反应溅射50–100min得到SiC层，在反应溅射过程中，溅射功率为100–150W，溅射气压为0.5–1.5Pa，偏压值为-50–-80V。
步骤(4)中：
进一步的，进行微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)前，将步骤(3)得到的包含SiC层的样品放入钼托，所述钼托的高度为3-6mm。
进一步的，CH4与H2的比例为2:100–4:100，其中，H2的流量为400–600sccm；CH4与H2的纯度均不低于99.99％。
进一步的，所述微波等离子体化学气相沉积方法的工艺参数为：沉积功率为3.0–4.0kW，沉积气压为10–15kPa。
进一步的，在沉积得到金刚石层后，降温速率控制为5–20℃/min。
进一步的，所述抛光所述金刚石层得到金刚石系红外复合窗口材料，在抛光过程中采用的平均粒径为0.5–2.0μm的金刚石粉末。通过使用较少颗粒度的金刚石粉末进行抛光使得金刚石表面光滑，有利于增加金刚石层的光透过率。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明通过选用在铝氧化物基底和金刚石层的热膨胀系数之间的材料作为过渡层使得在高气动热环境下具有较高的界面结合强度，不易脱落，并且，相邻层之间具有相同的元素从而能够通过沉积的方式将各层化学键连接且各层之间的晶格参数较为接近，进一步加强了各个界面结合强度；且由于各个层之间的化学键连接，从而避免了形成多个杂质界面，从而加强了对中波红外波段光的透射率，透过率高于50％，且由于金刚石层存在，使得得到的红外窗口的表面热导率显著提升(>1200W/mK，提升40倍以上)。
本发明通过溅射的方法沉积过渡层，沉积方法简单、高效，为高速飞行器红外窗口提供候选方案。
附图说明
图1为本发明具体实施例提供的金刚石系红外复合窗口材料的结果示意图；
图2为本发明具体实施例提供的金刚石系红外复合窗口材料的制备方法流程图；
图3为本发明实施例1、实施例2、实施例3制得的金刚石系红外复合窗口的拉曼光谱图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
采用预先在氧化物光学材料上制备具有一定折射率、晶格参数与热膨胀系数梯度的多层过渡层组合的方法，可以有效减少金刚石在高温(＞800℃)生长过程中与氧化物光学材料基底间的应力。并经过磁控溅射在基底上制备了AlN/Si3N4/SiC三层过渡层组合，随后在此过渡层上沉积了一定厚度的金刚石层，如图1所示。所得复合窗口的金刚石层与基底结合良好、在中波红外波段具有>50％透过率，且极大提高了表面热导率(提升50倍以上)，为高速飞行器红外窗口材料提供解决方案。
基于以上研究，本发明提供的一种氧化物基底/过渡层/金刚石层红外复合材料的制备方法，如图2所示，包括以下步骤：
1)取具有一定光学透过率的氧化物光学材料作为基底，备用。进一步地，所述氧化物光学材料为蓝宝石、LiAlON陶瓷、MgAlON陶瓷、AlON陶瓷当中的一种，尺寸为Ф10–30mm×1–3mm，3–5μm波段的光学透过率平均值不低于75％。
2)采用直流磁控溅射的方法，通入一定比例的N2、Ar，以高纯Al靶为原料，N2为反应气体，通过功率和气压调节，升温至500–600℃，反应溅射100–200min，在基底上形成一层AlN层，降至室温后取出，得样品A。进一步地，所述Ar和N2的纯度均不低于99.99％，Al靶材的纯度不低于99.9％；通入的N2、Ar气的流量比例为1:2–1:3，其中Ar的流量为10–30sccm；溅射过程中，功率与气压分别设定为100–200W与1.0–4.0Pa；所得AlN层厚为200–400nm。
3)取样品A，采用射频磁控溅射，通入一定比例的N2、Ar，以高纯Si靶为原料，N2为反应气体，通过功率和气压调节，升温至450–500℃，反应溅射100–200min，在样品A上沉积一层Si3N4层，降至室温后取出，得样品B。进一步地，所述气体N2的纯度不低于99.99％，通入的N2、Ar气的流量比例为1:1–1:3，其中N2的流量为5–10sccm；Si靶材纯度不低于99.9％；溅射过程中，功率与气压的设定分别为100–200W与0.5–1.0Pa；所得Si3N4层厚为200–500nm。
4)取样品B，采用射频磁控溅射，通入Ar，以高纯SiC靶材为原料，通过功率和气压调节，升温至100–150℃，施加一定的偏压，磁控溅射50–100min，在样品B上沉积一层SiC层，降至室温后取出，得样品C。进一步地，所述气体Ar的纯度不低于99.99％，通入Ar的流量为10–30sccm；SiC靶材的纯度不低于99.9％；溅射过程中，功率与气压的设定为100–150W与0.5–1.5Pa；偏压值为-50–-80V；所得SiC层厚为150–300nm。
5)取样品C，置于一定厚度的金属钼托上，再一并置于MPCVD设备中，以一定比例的CH4/H2混合气体为反应气体，通过功率和气压调节，使温度升至800–900℃，持续生长10–50h，在样品C上沉积一层金刚石层，缓慢降至室温后取出，得样品D。进一步地，所述钼托高度为3–6mm；CH4与H2的比例为2:100–4:100，其中H2的流量为400–600sccm；气体纯度均不低于99.99％；MPCVD运行功率与气压分别设定为3.0–4.0kW与10.0–15.0kPa；降温速率控制在5–20℃/min；所得金刚石层厚为20–100μm。
6)取样品D，对金刚石生长面打磨抛光，得到样品E，即氧化物基底/金刚石层红外复合材料(或称作金刚石系红外复合窗口材料)。进一步地，所述表面抛光环节采用平均粒径为0.5–2.0μm的金刚石粉末作为抛光介质；样品E上的金刚石层厚控制在10–50μm。
实施例1
1)取尺寸规格为Ф10mm×1mm的蓝宝石作为基底，备用。其中，3–5μm波段的光学透过率平均值为82％。
2)采用直流磁控溅射的方法，通入一定比例的N2、Ar，以高纯Al靶为原料，N2为反应气体，通过功率和气压调节，升温至500℃，反应溅射200min，在基底上形成一层AlN层，降至室温后取出，得样品A1。
进一步地，所述Ar和N2的纯度均为99.99％，Al靶材的纯度为99.9％；通入的N2、Ar气的流量比例为1:2，其中Ar的流量为30sccm；溅射过程中，功率与气压分别设定为100W与4.0Pa；所得AlN层厚为220nm。
3)取样品A1，采用射频磁控溅射，通入一定比例的N2、Ar，以高纯Si靶为原料，N2为反应气体，通过功率和气压调节，升温至500℃，反应溅射100min，在样品A1上沉积一层Si3N4层，降至室温后取出，得样品B1。
进一步地，所述气体N2的纯度为99.99％，通入的N2、Ar气的流量比例为1:1，其中N2的流量为10sccm；Si靶材纯度为99.9％；溅射过程中，功率与气压的设定分别为150W与0.7Pa；所得Si3N4层厚为205nm。
4)取样品B1，采用射频磁控溅射，通入Ar，以高纯SiC靶材为原料，通过功率和气压调节，升温至150℃，施加一定的偏压，磁控溅射100min，在样品B1上沉积一层SiC层，降至室温后取出，得样品C1。
进一步地，所述气体Ar的纯度为99.99％，通入Ar的流量为10sccm；SiC靶材的纯度为99.99％；溅射过程中，功率与气压的设定为150W与0.5Pa；偏压值为-50V；所得SiC层厚为346nm。
5)取样品C1，置于一定厚度的金属钼托上，再一并置于MPCVD设备中，以一定比例的CH4/H2混合气体为反应气体，通过功率和气压调节，使温度升至800℃，持续生长10h，在样品C1上沉积一层金刚石层，缓慢降至室温后取出，得样品D1。
进一步地，所述钼托高度为3mm；CH4与H2的比例为2:100，其中H2的流量为400sccm；气体纯度均为99.99％；MPCVD运行功率与气压分别设定为3.1kW与10.0kPa；降温速率控制在20℃/min；所得金刚石层厚为22μm。
6)取样品D1，对金刚石生长面打磨抛光，得到样品E1，即蓝宝石基底/金刚石层红外复合材料(或称作金刚石系红外复合窗口材料)。
进一步地，所述表面抛光环节采用平均粒径为2.0μm的金刚石粉末作为抛光介质；样品E1上的金刚石层厚为12μm。
实施例2
1)取尺寸规格为Ф20mm×2mm的LiAlON陶瓷作为基底，备用。其中，3–5μm波段的光学透过率平均值为75％。
2)采用直流磁控溅射的方法，通入一定比例的N2、Ar，以高纯Al靶为原料，N2为反应气体，通过功率和气压调节，升温至550℃，反应溅射150min，在基底上形成一层AlN层，降至室温后取出，得样品A2。
进一步地，所述Ar和N2的纯度均为99.999％，Al靶材的纯度为99.95％；通入的N2、Ar气的流量比例为2:5，其中Ar的流量为20sccm；溅射过程中，功率与气压分别设定为200W与2.3Pa；所得AlN层厚为303nm。
3)取样品A2，采用射频磁控溅射，通入一定比例的N2、Ar，以高纯Si靶为原料，N2为反应气体，通过功率和气压调节，升温至450℃，反应溅射200min，在样品A2上沉积一层Si3N4层，降至室温后取出，得样品B2。
进一步地，所述气体N2的纯度为99.999％，通入的N2、Ar气的流量比例为1:2，其中N2的流量为7sccm；Si靶材纯度为99.99％；溅射过程中，功率与气压的设定分别为100W与1.0Pa；所得Si3N4层厚为302nm。
4)取样品B2，采用射频磁控溅射，通入Ar，以高纯SiC靶材为原料，通过功率和气压调节，升温至120℃，施加一定的偏压，磁控溅射70min，在样品B2上沉积一层SiC层，降至室温后取出，得样品C2。
进一步地，所述气体Ar的纯度为99.999％，通入Ar的流量为20sccm；SiC靶材的纯度为99.9％；溅射过程中，功率与气压的设定为122W与1.0Pa；偏压值为-65V；所得SiC层厚为253nm。
5)取样品C2，置于一定厚度得金属钼托上，再一并置于MPCVD设备中，以一定比例的CH4/H2混合气体为反应气体，通过功率和气压调节，使温度升至850℃，持续生长24h，在样品C2上沉积一层金刚石层，缓慢降至室温后取出，得样品D2。
进一步地，所述钼托高度为4mm；CH4与H2的比例为4:100，其中H2的流量为500sccm；气体纯度均为99.999％；MPCVD运行功率与气压分别设定为3.5kW与12.3kPa；降温速率控制在10℃/min；所得金刚石层厚为58μm。
6)取样品D2，对金刚石生长面打磨抛光，得到样品E2，即LiAlON基底/金刚石层红外复合材料(或称作金刚石系红外复合窗口材料)。
进一步地，所述表面抛光环节采用平均粒径为1.0μm的金刚石粉末作为抛光介质；样品E2上的金刚石层厚为32μm。
实施例3
1)取尺寸规格为Ф30mm×3mm的MgAlON陶瓷作为基底，备用。其中，3–5μm波段的光学透过率平均值为77％。
2)采用直流磁控溅射的方法，通入一定比例的N2、Ar，以高纯Al靶为原料，N2为反应气体，通过功率和气压调节，升温至600℃，反应溅射100min，在基底上形成一层AlN层，降至室温后取出，得样品A3。
进一步地，所述Ar和N2的纯度分别为99.999％和99.99％，Al靶材的纯度为99.99％；通入的N2、Ar气的流量比例为1:3，其中Ar的流量为10sccm；溅射过程中，功率与气压分别设定为150W与1.0Pa；所得AlN层厚为395nm。
3)取样品A3，采用射频磁控溅射，通入一定比例的N2、Ar，以高纯Si靶为原料，N2为反应气体，通过功率和气压调节，升温至470℃，反应溅射150min，在样品A3上沉积一层Si3N4层，降至室温后取出，得样品B3。
进一步地，所述气体N2的纯度为99.99％，通入的N2、Ar气的流量比例为1:3，其中N2的流量为5sccm；溅射过程中，功率与气压的设定分别为200W与0.5Pa；所得Si3N4层厚为488nm。
4)取样品B3，采用射频磁控溅射，通入Ar，以高纯SiC靶材为原料，通过功率和气压调节，升温至100℃，施加一定的偏压，磁控溅射50min，在样品B3上沉积一层SiC层，降至室温后取出，得样品C3。
进一步地，所述气体Ar的纯度为99.999％，通入Ar的流量为30sccm；SiC靶材的纯度为99.99％；溅射过程中，功率与气压的设定为100W与1.5Pa；偏压值为-80V；所得SiC层厚为155nm。
5)取样品C3，置于一定厚度得金属钼托上，再一并置于MPCVD设备中，以一定比例的CH4/H2混合气体为反应气体，通过功率和气压调节，使温度升至900℃，持续生长50h，在样品C3上沉积一层金刚石层，缓慢降至室温后取出，得样品D3。
进一步地，所述钼托高度为6mm；CH4与H2的比例为3:100，其中H2的流量为600sccm；气体纯度均为99.999％；MPCVD运行功率与气压分别设定为4.0kW与15.0kPa；降温速率控制在5℃/min；所得金刚石层厚为96μm。
6)取样品D3，对金刚石生长面打磨抛光，得到样品E3，即MgAlON基底/金刚石层红外复合材料(或称作金刚石系红外复合窗口材料)。
进一步地，所述表面抛光环节采用平均粒径为0.5μm的金刚石粉末作为抛光介质；样品E3上的金刚石层厚为48μm。
性能分析
图1所示为本发明内容实施的示意图，是以铝氧化物(蓝宝石、LiAlON陶瓷、MgAlON陶瓷或AlON陶瓷当中的一种)为基底，在其上依次沉积AlN层、Si3N4层、SiC层，最后沉积金刚石层所形成的复合结构，具体实施过程如图2所示。
本发明实例1、2、3所得金刚石/多层过渡层/氧化物基底复合窗口样品D1、D2、D3表面金刚石层拉曼光谱图如图3所示，即拉曼迁移(Raman shift)与强度(Intensity)关系测试结果，可以看到它们具有非常好的结晶质量，金刚石的特征峰(1332cm-1)明显，无明显其他杂相，且半峰宽较窄(FHWM为2.6-2.9)，拉曼特征峰越尖锐且半峰宽越窄，说明金刚石品质越好。
本发明实例1、2、3所得金刚石/多层过渡层/氧化物基底复合窗口材料样品E1、E2、E3在中波红外波段(3–5μm)平均透过率如表1所示。可以看到，所得样品具有较高的光学透过率。
为了分析复合结构的耐热冲击性能及膜层结合效果，首先，我们测试了复合结构的表面热导率。采用激光脉冲量热法测定，测试结果如表2所示，对于样品E1、E2、E3，分别为1680W/mK、1232W/mK、1480W/mK，而对比样品2，为LiAlON(尺寸Ф20mm×2mm。3–5μm波段的光学透过率平均值为75％)的热导率只有13W/mK。由于所选用的基底(蓝宝石、LiAlON陶瓷、MgAlON陶瓷或AlON陶瓷)热导率普遍低于30W/mK，因此相当于在基底的基础上，将表面热导率提升了40倍以上。热导率越高，则表明材料在经受高热流时，能更好的将热量传递开而不至于形成局部热聚集造成的热应力大、结构破裂隐患。其次，我们表征了材料的耐热冲击表现，通过急冷急热的方法，具体方法及测试结果如表3所示。与对比样品2，即LiAlON(尺寸Ф20mm×2mm。3–5μm波段的光学透过率平均值为75％)相比，复合结构均经受住了热冲击试验而没发生破裂或膜层脱落，上述结果表明，本发明方案提供的复合结构样品，具有优异的耐热冲击性能。
表1.案例所得样品的光学透过率
| 性能 | 样品E1 | 样品E2 | 样品E3 |
| 透过率(％) | 60.1％ | 50.2％ | 53.5％ |
表2.案例所得样品的表面热导率
| 性能 | 样品E1 | 样品E2 | 样品E3 | 对比样品2 |
| 热导率(W/mK) | 1680 | 1232 | 1480 | 13W/mK |
表3.案例所得样品的受热冲击表现
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种金刚石系红外复合窗口材料，其特征在于，包括铝氧化物基底、过渡层和金刚石层，所述过渡层包括AlN层、Si3N4层和SiC层；
其中，在铝氧化物基底表面沉积AlN层，在所述AlN层表面沉积Si3N4层，在所述Si3N4层表面沉积SiC层，在SiC层表面沉积金刚石层。
2.根据权利要求1所述的金刚石系红外复合窗口材料，其特征在于，所述的铝氧化物基底的材料为蓝宝石、LiAlON陶瓷、MgAlON陶瓷或AlON陶瓷。
3.根据权利要求1所述的金刚石系红外复合窗口材料，其特征在于，所述的铝氧化物基底的中波红外波段的光学透过率不低于75％。
4.根据权利要求1所述的金刚石系红外复合窗口材料，其特征在于，所述的AlN层的厚度为200–400nm，所述的Si3N4层的厚度为200–500nm，所述的SiC层的厚度为150–350nm，所述的金刚石层的厚度为10-100μm。所述的铝氧化物基底的厚度不低于1mm。
5.一种根据权利要求1-4任一项所述的金刚石系红外复合窗口材料的制备方法，其特征在于，包括：
(1)获得铝氧化物基底，采用直流磁控溅射方法，以N2为反应气体，以Al靶为原料，在Ar气氛下，在铝氧化物基底表面溅射沉积AlN层；
(2)采用射频磁控溅射，以N2为反应气体，以Si靶为原料，在Ar气氛和在450–500℃温度下，在步骤(1)得到的AlN层表面反应溅射100–200min得到Si3N4层；
(3)采用射频磁控溅射，以SiC靶材为原料，在Ar气氛和100–150℃下，在步骤(2)得到的Si3N4层表面反应溅射50–100min得到SiC层；
(4)通过微波等离子体化学气相沉积方法，以CH4/H2混合气体为反应气体，在温度为在800–900℃下，在步骤(3)得到的SiC层表面持续生长10-15h得到金刚石层，抛光所述金刚石层得到金刚石系红外复合窗口材料。
6.根据权利要求5所述的金刚石系红外复合窗口材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述Ar和N2的纯度均不低于99.99％，所述Al靶材的纯度不低于99.9％，通入的N2、Ar气的流量比例为1:2–1:3，其中，Ar的流量为10–30sccm。
7.根据权利要求5所述的金刚石系红外复合窗口材料的制备方法，其特征在于，所述在铝氧化物基底表面溅射沉积AlN层，溅射过程中，溅射功率为100–200W，溅射气压为1.0-4.0Pa。
8.根据权利要求5所述的金刚石系红外复合窗口材料的制备方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述气体N2的纯度不低于99.99％，通入的N2、Ar气的流量比例为1:1–1:3，其中，N2的流量为5–10sccm，所述反应溅射过程中，溅射功率为100–200W，溅射气压为0.5–1.0Pa。
9.根据权利要求5所述的金刚石系红外复合窗口材料的制备方法，其特征在于，所述在步骤(2)得到的Si3N4层表面反应溅射50–100min得到SiC层，在反应溅射过程中，溅射功率为100–150W，溅射气压为0.5–1.5Pa，偏压值为-50–-80V。
10.根据权利要求5所述的金刚石系红外复合窗口材料的制备方法，其特征在于，所述微波等离子体化学气相沉积方法的工艺参数为：沉积功率为3.0–4.0kW，沉积气压为10–15kPa。
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