郭建超等：氩氢摩尔比对直流电弧等离子体喷射法等离子体放电特征影响的计算 ·1633· 0.12 温度K 0.125 温度K 20600 20200 62.3 107 10570.2 0.08 0.08 637 0T9 6 )117 1602 0.04 110223 0.04 10966 706133 92.539 575.039 573.307 415.345 414.719 300 300 0.05 0.10 0.15 0.05 0.10 0.15 /m /m 0.12 温度K 0.12 温度K 18800 17300 13674.9 9946.96 7235.31 6787.02 0.0 526288 0.08 4968.47 3828.16 3637. 2784.56 63 2925.46 949.2 1473.29 142 7166 0.4 56 3 409.805 300 0.05 0.10 0.15 0.05 0.10 0.15 e/m e/m 0.12 温度K e 0.08 2620.92 1922.99 1410.92 0.04 1035.2 759.538 557.28 408.881 300 0.05 0.10 0.15 m 图5气压为8kPa、不同氩氢摩尔比条件下等离子体放电区域温度分布.(a)Ar:H2=3:1;(b)Ar:H2=2:1:(c)Ar:H2=1:1:(d)Ar: H2=1:2;(e)ArH2=1:3 Fig.5 Distribution of temperature in the DC are plasma discharge region at different argono-ydrogen mole ratios and a pressure of8 kPa:(a)Ar :H2=3:1:(b)ArH2=2:1:(c)ArH2=1:1:(d)ArH2=1:2:(e)ArH2=1:3 在靠近阴极表面位置，等离子体受到基体表面压缩作 体表面中心位置与边缘位置升温更为明显，基体表面 用，等离子体流速表面为小幅度上升后再迅速下降，且 温度均匀性逐渐变差.考虑到直流电弧等离子体喷射 氢气比例较高时此趋势尤为明显 法金刚石膜制备过程中基体表面常用温度为850~ 2.3.3不同氩氢摩尔比下基体表面温度分布 950℃，其他条件不变，150A工作电流条件下，氩氢 温度对于金刚石生长极为关键2，基体表面温 摩尔比为1：2时能获得适宜金刚石膜生长且相对均匀 度分布对金刚石膜制备更是至关重要.图7显示了不 的基体表面温度.计算获得的基体表面温度与实测值 同氩氢摩尔比条件下基体上表面温度分布变化情况， 之间存在些许偏差，但变化趋势是相符合的，且偏差不 并与实测值进行对比.基体表面温度受氩氢摩尔比变 大·偏差的存在很可能与本文等离子体物性参数和电 化影响较大，随着氢气比例增多，基体上表面不同径向 弧计算模型均以局部热力学平衡为基本假设有关.在 位置的温度均明显提高.氩氢摩尔比由3：1降至1：3 8kPa工作压强下，电弧等离子体可能在一定程度上偏 时基体上表面中心位置温度自722K增至1164K,采 离了局部热力学平衡状态.因此，非热力学平衡条件 用热电偶实际测得相应位置的温度由763K升至1229 下等离子体物性参数计算和电弧模型的建立将是进一 K,计算结果与实测值的偏差均小于5%.此外，因基 步研究的重点 体表面中心位置受到阴极高温射流作用较为明显，而 3结论 基体表面边缘位置又距阳极斑点附近高温区域较近， 随着氢气比例增多，基体表面整体温度上升的同时，基 (1)氩氢摩尔比对符合直流电弧等离子体喷射法郭建超等: 氩氢摩尔比对直流电弧等离子体喷射法等离子体放电特征影响的计算 图 5 气压为 8 kPa、不同氩氢摩尔比条件下等离子体放电区域温度分布． ( a) Ar∶ H2 = 3∶ 1; ( b) Ar∶ H2 = 2∶ 1; ( c) Ar∶ H2 = 1∶ 1; ( d) Ar∶ H2 = 1∶ 2; ( e) Ar∶ H2 = 1∶ 3 Fig． 5 Distribution of temperature in the DC arc plasma discharge region at different argon-to-hydrogen mole ratios and a pressure of 8 kPa: ( a) Ar ∶ H2 = 3∶ 1; ( b) Ar∶ H2 = 2∶ 1; ( c) Ar∶ H2 = 1∶ 1; ( d) Ar∶ H2 = 1∶ 2; ( e) Ar∶ H2 = 1∶ 3 在靠近阴极表面位置，等离子体受到基体表面压缩作 用，等离子体流速表面为小幅度上升后再迅速下降，且 氢气比例较高时此趋势尤为明显． 2. 3. 3 不同氩氢摩尔比下基体表面温度分布 温度对于金刚石生长极为关键［32--34］，基体表面温 度分布对金刚石膜制备更是至关重要． 图 7 显示了不 同氩氢摩尔比条件下基体上表面温度分布变化情况， 并与实测值进行对比． 基体表面温度受氩氢摩尔比变 化影响较大，随着氢气比例增多，基体上表面不同径向 位置的温度均明显提高． 氩氢摩尔比由 3∶ 1降至 1∶ 3 时基体上表面中心位置温度自 722 K 增至 1164 K，采 用热电偶实际测得相应位置的温度由 763 K 升至 1229 K，计算结果与实测值的偏差均小于 5% ． 此外，因基 体表面中心位置受到阴极高温射流作用较为明显，而 基体表面边缘位置又距阳极斑点附近高温区域较近， 随着氢气比例增多，基体表面整体温度上升的同时，基 体表面中心位置与边缘位置升温更为明显，基体表面 温度均匀性逐渐变差． 考虑到直流电弧等离子体喷射 法金刚石膜制备过程中基体表面常用温度为 850 ～ 950 ℃［5］，其他条件不变，150 A 工作电流条件下，氩氢 摩尔比为 1∶ 2时能获得适宜金刚石膜生长且相对均匀 的基体表面温度． 计算获得的基体表面温度与实测值 之间存在些许偏差，但变化趋势是相符合的，且偏差不 大． 偏差的存在很可能与本文等离子体物性参数和电 弧计算模型均以局部热力学平衡为基本假设有关． 在 8 kPa 工作压强下，电弧等离子体可能在一定程度上偏 离了局部热力学平衡状态． 因此，非热力学平衡条件 下等离子体物性参数计算和电弧模型的建立将是进一 步研究的重点． 3 结论 ( 1) 氩氢摩尔比对符合直流电弧等离子体喷射法 ·1633·