CN104031560A

CN104031560A - 用于晶体加工的水基金刚石抛光液

Info

Publication number: CN104031560A
Application number: CN201310071571.XA
Authority: CN
Inventors: 张书达; 张文刚
Original assignee: TIANJIN CHANYU SUPERHARD SCI-TECH Co Ltd
Current assignee: Tianjin Huayu superhard Polytron Technologies Inc
Priority date: 2013-03-07
Filing date: 2013-03-07
Publication date: 2014-09-10
Anticipated expiration: 2033-03-07
Also published as: CN104031560B

Abstract

本发明提供制备多种粒度的用于晶体加工的水基金刚石抛光液的方法，该抛光液适宜抛光多种晶体。使用高剪切乳化机，该设备的搅拌工作头直径不低于56mm，最高转速不低于15000rpm；使用黏度调节剂，制成不同黏度的抛光液以满足诸多用户的不同需求。本发明产品具有抛光、润滑、冷却、除屑等功能。它的成分：水、金刚石、润湿剂、表面活性剂、黏度调节剂、防锈剂、润滑剂、消泡剂、防腐杀菌剂和pH调节剂。用1um单晶金刚石抛光液抛光SiC晶体，抛光效率达0.08um/min，其表面粗糙度Ra由80nm经抛光后降至0.91nm；用0.125um多晶纳米金刚石抛光液抛光SiC晶体其表面粗糙度Ra可达0.1～0.3nm。

Description

用于晶体加工的水基金刚石抛光液

技术领域

本发明属于精密抛光领域，特别设计用于晶体加工的水基金刚石抛光液。

背景技术

抛光液是晶体抛光技术中关键要素，其性能直接影响抛光后的表面质量。随着精密加工的迅速发展，近年来金刚石抛光液发展很快。金刚石抛光液与诸多普通磨料抛光液相比抛光效率提高几倍到几十倍，表面粗糙度显著降低。它不仅能抛光多种难加工的硬脆晶体材料，而且抛光中软的晶体亦有独到之处。例如：SiC、Al₂O₃、Si、SiO₂、CaF₂、BeF₂、Li₃AlO₃、Li₃GaO₃、Tb₃GaO₁₂、GeO₂、Si₃N₄、ZrO₂和钻石等多种晶体工件，对金刚石抛光液性能的要求是较严格的。它应具有研磨、抛光、浸润、黏附、润滑、冷却等多种性能。油性抛光液浸润、黏附、润滑的优点突出，但效率低，不易清洗、不利环保。水基金刚石抛光液应是今后发展的重点。其中的金刚石可以是单晶，也可以是多晶。单晶金刚石的成本较低；多晶金刚石具有良好的切削力和自锐性，在研磨抛光过程中能够保持高研磨力而同时不易产生划伤。目前常用的化学机械抛光(CMP)工艺中，以化学腐蚀为主，以机械磨损为辅；而用纳米金刚石抛光液后，将以机械为主，甚至将化学腐蚀降至0，这对环保极为有利。有的晶体不适宜用CMP，例如SiC。

CN1100104C是金刚石油基抛光液，成本高，抛光效率低，不易清洗。

CN1560161A所述的抛光液pH为2～12，酸碱性强，腐蚀机件，不利环保。

US20100233880抛光表面最佳Ra＝0.5nm，不能满足更高要求。

CN1940003A金刚石要置于浓硫酸中，超声剪切处理，而后在浓硫酸中加热200～300℃保温1到3小时，这对设备腐蚀严重，污染环境。

李颖等人(超硬材料工程2010(2)5～9)采用多种表面活性剂分散纳米金刚石，最佳效果只能使D50达到0.323nm，远未达到单颗粒分散。

吴任和等人(工具技术2006(1)18～20)只用中等粒度的纳米金刚石制作抛光液，因为他们用细粒度的纳米金刚石时不易制作。

发明内容

本发明提供一种制备水基金刚石抛光液的方法，该抛光液适宜抛光多种晶体。

本发明的特点之一在于使用高剪切乳化机，该设备的搅拌工作头直径不低于56mm，最高转速不低于15000rpm。它可使金刚石颗粒之间的软团聚充分分散，使多种试剂混合均匀，并使金刚石颗粒均匀地分散在抛光液中。转速控制在10000～15000rpm，处理时间10～60min。

本发明的另一特点是使用黏度调节剂，制成不同黏度的抛光液以满足诸多用户的不同需求。

本专利产品是水基金刚石抛光液，它具有抛光、润滑、冷却、除屑等功能。它的成分：水85～98％，金刚石0.1～10％，润湿剂0.2～3％，表面活性剂0.1～5％，黏度调节剂0.01～5％，防锈剂0～1％，润滑剂1～8％，消泡剂0.0005～0.1％，防腐杀菌剂0.02～1％；pH调节剂逐滴加入，用酸度计监测直至达到预期值，不计入总量。

所述的金刚石包括：用静压触媒法制造的亚毫米级金刚石经破碎、整形、粒度分级和提纯净化后获得的微米级和亚微米级单晶金刚石微粉；用爆轰法(负氧平衡法)制造的单晶纳米金刚石，本专利所用的是经超分散处理后的无硬团聚的纳米金刚石；以及用爆炸法制造的多晶纳米金刚石，它的粒度主要是微米级或亚微米级。本专利所用的金刚石粒度是D50(接近平均值)等于或小于2微米。它们的具体粒度号是D50等于2um，1um，0.5um，0.25um，0.125um，50nm，20nm，10nm，5nm。以下所述金刚石粒度号均指D50而言。这些金刚石是已经经过粒度分级并且无二次硬团聚的产品，本发明不涉及粒度分级和解硬团聚问题。

所述的润湿剂是指下列试剂中的一种或多种混合：去离子水、乙二醇、聚乙二醇、丙三醇。

所述的表面活性剂是指下列试剂中的一种或多种混合：聚乙二醇、六偏磷酸钠、十二烷基苯磺酸钠、丙三醇、1-缩二乙二醇、三乙醇胺。

所述的pH调节剂是指下列试剂中的一种或多种混合：氢氧化钾、氢氧化钠、碳酸钠、三乙醇胺、六偏磷酸钠、氨水、磷酸、硝酸、氢氟酸。

所述的黏度调节剂是指下列试剂中的一种或多种混合：硅酸镁铝、膨润土、凹凸棒土、蒙脱土、黄原胶、卡拉胶、阿拉伯胶、羧甲基纤维素钠、聚丙烯酸钠。

所述的防锈剂是指下列试剂中的一种或多种混合：三乙醇胺、乙醇胺硼酸盐、重铬酸钾、苯丙三氮唑、碳酸钠、亚硝酸钠。

所述的润滑剂是指下列试剂中的一种或多种混合：乙二醇、聚乙二醇、脂肪皂酸、丙三醇。

所述的消泡剂是指下列试剂中的一种或多种混合：乙醇、辛醇、聚氧丙烯氧化乙烯甘油醚、高碳醇脂肪酸酯复合物DSA-5、油酸、乳化二甲基硅油。

所述的防腐杀菌剂是指下列试剂中的一种或多种混合：脱氢醋酸钠、过氧化氢、2-苯基苯酚钠盐、对羟基苯甲酸乙酯钠、戊二醛、山梨酸钾、苯甲酸钠、亚硝酸钠、次氯酸钙。

具体实施方式

根据用户要求确定所用金刚石粉的种类和粒度。按抛光液所需浓度和总量确定金刚石粉用量。用精度适宜的天平精确称取，其相对精度要达到0.5％。

将上述金刚石置于烧杯中，加入少量润湿剂，以能将金刚石粉湿透为准。用搅拌棒将粉充分碾湿。

用去离子水配制一定浓度的表面活性剂、润滑剂、防腐杀菌剂、防锈剂、消泡剂，再逐步加入到上述的已经湿透的金刚石粉中，搅拌并超声处理至无团聚的金刚石小球为准，并且用显微镜检测分散情况。

加入黏度调节剂的水溶液，调节抛光液的黏度达到所需值。

加入pH调节剂或其水溶液，调节抛光液的pH值至所需值。

将这样的半成品置于高剪切乳化机中，该设备的搅拌工作头直径为56mm，调节适宜的转速及处理时间。粒度越细黏度越大，则转速应越大处理时间越长。

动力粘度是以旋转粘度计30rpm时所测数值为准。

下面结合实施例进一步说明：

实施例1：

拟制取10kg粒度为1um浓度为1.0％的单晶金刚石抛光液。

称取1um的用静压触媒法制造的单晶金刚石微粉100g，加入用去离子水制成的5％丙三醇溶液(润湿剂)500g，用塑料棒充分碾压、搅拌均匀，直至全部微粉都已湿透。再加入6.09kg的0.5％丙三醇溶液(表面活性剂兼润滑剂)，搅匀，超声处理5min，制成样A1。

经过滤的3％的六偏磷酸钠水溶液(表面活性剂)100g加入样A1中，搅拌均匀制成样A2。

经过滤的5％的山梨酸钾水溶液(防腐杀菌剂)200g加入样A2中，搅拌均匀制成样A3。

将1％油酸水溶液(消泡剂)10g加入样A3中，搅拌均匀制成样A4。

将2％黄原胶水溶液(黏度调节剂)2500g和聚乙二醇(表面活性剂兼润滑剂)500g加入样A4中，搅拌均匀制成样A5。

滴加三乙醇胺(pH调节剂兼防锈剂)，用酸度计监测样A5的pH值，边加边搅拌，至8.5为止，制成样A6。

将样A6置于高剪切乳化机中，该设备的搅拌工作头直径为56mm，转速调至10000rpm，处理15min。

最终制成10kg粒度为1um浓度为1.0％的单晶金刚石抛光液，其动力粘度为0.5×10³mPa.s，pH值为8.5。

动力粘度是以旋转粘度计30rpm时所测数值为准。

用此抛光液抛光SiC晶体，抛光效率达0.08um/min，其表面粗糙度Ra由80nm经抛光后降至0.91nm。

实施例2：

拟制取10kg粒度为5nm浓度为0.2％的单晶纳米金刚石抛光液。

称取5nm的用爆轰法制造的单晶纳米金刚石20g，加入用去离子水制成的5％聚乙二醇溶液(润湿剂)500g，用塑料棒充分碾压、搅拌均匀，直至全部纳米粉都已湿透。再加入6.27kg的0.5％聚乙二醇溶液(表面活性剂兼润滑剂)，搅匀，超声处理5min，制成样B1。

经过滤的10％的十二烷基苯磺酸钠水溶液(表面活性剂)200g加入样B1中，搅拌均匀制成样B2。

经过滤的10％的亚硝酸钠水溶液(防锈剂兼防腐杀菌剂)200g加入样B2中，搅拌均匀制成样B3。

将1％乳化二甲基硅油水溶液(消泡剂)10g加入样B3中，搅拌均匀制成样B4。

将12％凹凸棒土水溶液(黏度调节剂)2600g和乙二醇(润滑剂)200g加入样B4中，搅拌均匀制成样B5。

滴加氨水(pH调节剂)，用酸度计监测样B5的pH值，边加边搅拌至8.0为止，制成样B6。

将样B6置于高剪切乳化机中，该设备的搅拌工作头直径为56mm，转速调至15000rpm，处理60min。

最终制成10kg粒度为5nm浓度为0.5％的单晶纳米金刚石抛光液，其动力粘度为0.2×10³mPa.s，pH值为8.0。

动力粘度是以旋转粘度计30rpm时所测数值为准。

用此抛光液抛光ZrO₂晶体，抛光效率达0.3～0.6um/min。

实施例3：

拟制取10kg粒度为0.125um浓度为0.5％的多晶纳米金刚石抛光液。

称取0.125um的用爆炸法制造的多晶纳米金刚石纳米粉50g，加入用去离子水制成的5％乙二醇溶液(润湿剂)500g，用塑料棒充分碾压、搅拌均匀，直至全部纳米粉都已湿透。再加入6.14kg的0.5％乙二醇溶液(润滑剂)，搅匀，超声处理5min，制成样C1。乙二醇有助于纳米金刚石分散和悬浮。

聚乙二醇(表面活性剂兼润滑剂)600g加入样C1中，搅拌均匀制成样C2。

10％的脱氢醋酸钠水溶液(防腐杀菌剂)200g加入样C2中，搅拌均匀制成样C3。

将10g乙醇(消泡剂)加入样C3中，搅拌均匀制成样C4。

将1.2％聚丙烯酸钠水溶液(黏度调节剂)2500g加入样C4中，搅拌均匀制成样C5。

滴加经过滤的5％碳酸钠水溶液(pH调节剂兼防锈剂)，用酸度计监测样C5的pH值，边加边搅拌至8.5为止，制成样C6。

将样C6置于高剪切乳化机中，该设备的搅拌工作头直径为56mm，转速调至14000rpm，处理30min。

最终制成10kg粒度为0.125um浓度为0.5％的多晶纳米金刚石抛光液，其动力粘度为2×10³mPa.s，pH值为8.5。

动力粘度是以旋转粘度计30rpm时所测数值为准。

用此抛光液抛光SiC晶体，在50um×50um的区域内其表面粗糙度Ra可达0.1～0.3nm。

Claims

1.用于晶体加工的水基金刚石抛光液的制造方法，其特征在于：

(1)它的组成成分：

水85～98％，金刚石0.1～10％，润湿剂0.2～3％，表面活性剂0.1～5％，黏度调节剂0.01～5％，防锈剂0～1％，润滑剂1～8％，消泡剂0.0005～0.1％，防腐杀菌剂0.02～1％，pH调节剂逐滴加入，不计入总量；

(2)成分中的金刚石包括：用静压触媒法制造的亚毫米级金刚石经破碎、整形、粒度分级和提纯净化后获得的微米级和亚微米级单晶金刚石微粉；用爆轰法(负氧平衡法)制造的单晶纳米金刚石；以及用爆炸法制造的多晶纳米金刚石；

(3)制造工艺中使用：

高剪切乳化机，该设备的搅拌工作头直径不低于56mm，最高转速不低于15000rpm。它可使金刚石颗粒之间的软团聚充分分散，使多种试剂混合均匀，并使金刚石颗粒均匀地分散稳定地悬浮在液体中，转速控制在10000～15000rpm，处理时间10～60min。

2.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于：使用黏度调节剂，制成不同黏度的抛光液以满足诸多用户的不同需求，所述的黏度调节剂是指下列试剂中的一种或多种混合：硅酸镁铝、膨润土、凹凸棒土、蒙脱土、黄原胶、卡拉胶、阿拉伯胶、羧甲基纤维素钠、聚丙烯酸钠。

3.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于：所述的润湿剂是指下列试剂中的一种或多种混合：去离子水、乙二醇、聚乙二醇、丙三醇。

4.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于：所述的表面活性剂是指下列试剂中的一种或多种混合：聚乙二醇、六偏磷酸钠、十二烷基苯磺酸钠、丙三醇、1-缩二乙二醇、三乙醇胺。

5.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于：所述的pH调节剂是指下列试剂中的一种或多种混合：氢氧化钾、氢氧化钠、碳酸钠、三乙醇胺、六偏磷酸钠、氨水、磷酸、硝酸、氢氟酸。

6.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于：所述的防锈剂是指下列试剂中的一种或多种混合：三乙醇胺、乙醇胺硼酸盐、重铬酸钾、苯丙三氮唑、碳酸钠、亚硝酸钠。

7.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于：所述的润滑剂是指下列试剂中的一种或多种混合：乙二醇、聚乙二醇、脂肪皂酸、丙三醇。

8.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于：所述的消泡剂是指下列试剂中的一种或多种混合：乙醇、辛醇、聚氧丙烯氧化乙烯甘油醚、高碳醇脂肪酸酯复合物DSA-5、油酸、乳化二甲基硅油。

9.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于：所述的防腐杀菌剂是指下列试剂中的一种或多种混合：脱氢醋酸钠、过氧化氢、2-苯基苯酚钠盐、对羟基苯甲酸乙酯钠、戊二醛、山梨酸钾、苯甲酸钠、亚硝酸钠、次氯酸钙。