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CVD金刚石自支撑膜是理想的红外窗口材料,然而在高超音速飞行等极端条件下,金刚石窗口被瞬间加热至极高的温度,会诱导金刚石向石墨转变,从而导致光学性能的衰减甚至失效。因此,针对CVD金刚石自支撑膜高温石墨化行为的研究十分必要。本文采用氩氢等离子体电弧快速加热工艺,对直流电弧等离子体喷射化学气相沉积法制备的金刚石自支撑膜进行了热处理,系统地研究了金刚石膜在短时高温环境下的石墨化行为。实验结果表明:(1)在氩氢等离子体条件下,CVD金刚石自支撑膜发生表面石墨化与宏观石墨化的初始温度分别为1450℃和1800℃,在晶界较多的形核面一侧石墨化速率更快;(2)热处理温度越高,红外透过率的降幅越大,相比于表面,晶界石墨化是造成金刚石膜光学性能下降的主要原因,石墨对全谱段的吸收造成了红外透过率的下降,而石墨颗粒对光的散射则是次要原因;(3)金刚石sp3碳的Cls光电子能谱结合能峰位中心在285.6eV,sp3和sp2成分的结合能差值为1.35 eV,向低结合能方向偏移0.8eV位置出现了额外的谱峰,是由于金刚石膜表面重构、晶界原子紊乱导致的,通过拟合,获得了不同温度热处理后金刚石膜sp3碳和sp2键合的碳原子之间的比例;(4)金刚石膜表面石墨化活化能在1773～1]973K及2073～2173K温度区间分别为366 kJ.mol-1和887 kJ.mol-1,说明在德拜温度(?)D=2021K两侧,石墨化机制有所不同:在低于德拜温度时,以生成空位或激活单根C-C键的断裂来推进石墨化,而在高于德拜温度时,以同时打断多根C-C键来推进石墨化;(5)受活化能差异的影响,在1850℃以下热处理,金刚石(110)晶面的石墨化速率高于(111)晶面,随着热处理温度升高,(J11)晶面石墨化速率逐渐加快,在1900℃时,金刚石(110)面与(111)面的石墨化速率相当;(6)建立了金刚石与石墨晶格常数与温度之间的关系,论证了金刚石压应力对石墨形核的阻碍作用,从形核导致裂纹失稳扩张的角度,计算了金刚石膜晶粒内部石墨的临界成核尺寸半径r*=0.7nm;(7)提出了金刚石膜表面微循环相变的机制,分为三步:首先,高温激活破坏(111)表面之间的C-C键,某些区域的褶皱结构变平坦,形成石墨片层;然后,一些金刚石碳原子通过形成碳氢化合物自由基从其固体位点脱离到气相;最后,通过这些碳氢化合物的碳原子一步一步地进入石墨晶格中,完成sp2团簇的自发沉积过程;(8)提出了以反聚乙炔为中间产物的晶界石墨化机制,反聚乙炔的形成是晶界氢残余的结果,作为是sp2键合碳的前驱体,它是具有交替的C-C单键和C=C双键的共轭结构,由于不需要直接破坏金刚石C-C键,因此晶界石墨化活化能低于金刚石C-C键能,仅247kJ·mol-1;(9)验证了三层金刚石(1 1 1)晶而转化为两层石墨(0002)晶面的机制,在金刚石膜晶粒内部层错缺陷位置仍起着重要作用,使ABC堆垛的立方金刚石直接转变为AB堆垛的六方石墨结构。