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、后的殘余應力分別進行了數值模擬。為了使模擬更接近于金剛石膜的真實制備環境，本文取消了以往對金剛石膜或基體內的溫度場常作的均勻或線性的人為假設，而采用對從磁控直流等離子體炬內噴射出的射流仿真計算結果。結論如下：

　　(1) 金剛石膜脫離基體之前，金剛石厚膜內的熱殘余應力呈空間應力狀態，第一主應力在膜層中心以外的大部分地方均為拉應力，易引起膜開裂破壞；膜/ 基界面上極大的剪切應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，熱殘余應力絕大部分被釋放，膜內最終的殘余應力可認為是本征應力。

　　金剛石膜是集力學、電學、熱學、聲學、光學于一身的耐腐蝕的功能薄膜材料，它在微電子、光電子、生物醫學、機械、航空航天、核能等高新技術領域都有極佳的應用前景，譬如沉積在硬質合金基體之上作為膜/ 基系統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、沉積面積大等優點，很適合于大尺寸金剛石厚膜的制備，是實現金剛石膜工業化應用的最佳選擇之一。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難題，難題之一是膜中存在較高的殘余應力，導致金剛石膜炸膜碎裂的現象時有發生，出現裂紋的現象則更加頻繁，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業化發展進程。

　　金剛石膜中的殘余應力分為熱殘余應力和本征應力，其中熱殘余應力源于制備溫度的不均勻、膜/ 基材料熱膨脹系數差異所導致的熱變形不一致，而本征應力的形成機制非常復雜，至今尚未得出確切、統一的結論，能說的還僅限于很一般的原則，但通常認為本征應力起源于薄膜生長過程中的某種結構不完整（如雜質、空穴、晶粒、位錯和層錯等）、表面能態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用的可靠性，對膜內的殘余應力進行預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的殘余應力進行測量，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力或平均應力，欲測得殘余應力在金剛石膜體內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/ 殘余應力進行了數值模擬。但已有的這些模擬文獻離真實的金剛石膜制備環境較遠，譬如，它們對膜/ 基系統的溫度均作了均勻或線性的人為假設，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/ 基系統內因二者熱膨脹系數差異及溫度不均勻所產生的熱殘余應力將會釋放一部分并重新分配，以便維持新的平衡，但熱殘余應力有多少被釋放，在脫離原基體之后的自支撐金剛石膜內的最終殘余應力是否可認為就是本征應力這一問題，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、后的熱殘余應力進行有限元模擬，從所模擬的脫膜前后熱殘余應力的大小，可以定量地得出熱殘余應力的放和再分配情況，同時結合熱殘余應力的模擬結果對金剛石膜的破壞現象作初步探討。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，而是根據直流等離子體噴射法制備金剛石膜的實際制備參數，通過對國內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表。

圖1 金剛石膜上表面的溫度沿徑向分布

3、結論

　　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力進行了數值模擬，采用了實際的非均勻瞬態溫度場之模擬結果，取消了以往文獻常作的溫度均勻的人為假設。得到了如下結論：

　　(1) 金剛石膜脫離基體之前，金剛石厚膜內的熱殘余應力呈空間應力狀態，第一主應力在膜層中心以外的大部分地方均為拉應力，易引起膜開裂破壞；膜/基界面上極大的剪切應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，熱殘余應力的絕大部分被釋放，自支撐膜內最終的殘余應力可認為是本征應力。