CN109514057A - 一种基于聚焦离子束加工的金刚石刀具可控修锐方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于聚焦离子束加工的金刚石刀具可控修锐方法。采用带有扫描电子显微镜和聚焦离子束功能的双束设备，包括下列步骤：首先利用纳米旋转臂将金刚石刀具移至距离电子束极靴约5mm处，通过电子束成像系统对刀具进行形貌观测。利用聚焦离子束对刀具依次进行两侧刀面及后刀面的加工。然后，利用离子束辐照功能照射刀具切削刃，建立辐照能量、辐照时间与刀具刃口半径之间的映射关系。最终，通过对离子束辐照参数的设置，实现刀具刃口半径的可控性加工。本发明提出的方法稳定可靠。本方法不仅可获得更为锋利的金刚石刀具，而且可对刀具刃口半径进行可控性加工，显著提高了加工精度和加工灵活性。

Description

一种基于聚焦离子束加工的金刚石刀具可控修锐方法

技术领域

本发明涉及一种金刚石刀具修锐方法，更具体而言，涉及一种基于聚焦离子束加工的金刚石刀具可控修锐方法。

背景技术

纳米切削技术作为先进制造技术的重要手段，近年来在航空航天、医疗器械、生物工程等领域得到了广泛的应用。纳米切削加工中，必然要使用金刚石刀具。由于纳观尺度尺寸效应的影响，刀具刃口半径显著影响着被切削材料的去除行为，对切削机理的深入研究具有至关重要的作用。

商用化的金刚石刀具通常是经过研磨制成的，由于天然金刚石的超高硬度和耐磨性，研磨效率较低，而且成品金刚石刀具的刃口半径通常在50nm以上，无法满足纳米切削机理研究中对刀具刃口半径的要求。

与传统研磨加工法相比，聚焦离子束以其纳米制造、加工灵活的特点，有望实现金刚石刀具纳米级刃口半径的加工。然而，由于加工能量与加工束流的选择不尽合理，目前尚未发现刃口半径小于15nm的金刚石刀具。此外，对刀具刃口半径的有效控制是国内金刚石刀具加工领域的短板，无法修锐出指定刃口半径(如20nm、30nm、40nm等)的金刚石刀具，严重限制了纳米切削机理的深入研究。

发明内容

本发明的目的在于，克服现有技术的上述不足，提供一种灵活、高效和高精度的基于聚焦离子束加工的金刚石刀具可控修锐方法，实现金刚石刀具的可控性加工，用以更好地研究纳米切削材料去除机理。

本发明一种基于聚焦离子束加工的金刚石刀具可控修锐方法，通过下述方案实现的：

采用带有电子束和聚焦离子束功能的双束设备，包括下列步骤：

1)纳米旋转臂固定在双束系统工作台上，将金刚石刀具固定在纳米旋转臂上，并放置于双束设备真空样品室内；

2)将刀具移至距电子束极靴5mm处，通过电子束成像系统对刀具进行形貌观测；

3)利用聚焦离子束对刀具依次进行两侧刀面及后刀面进行粗加工和精加工，修锐刀具刃口；

4)调整刀具角度，使切削刃与聚焦离子束束流垂直；

5)利用离子束辐照功能照射刀具切削刃，通过多次实验，分别测量不同聚焦离子束参数条件下的刀具刃口半径值，建立辐照能量、辐照时间与刀具刃口半径之间的映射关系；

6)最终，利用多次实验所建立的聚焦离子束参数与刀具刃口半径映射关系的数据库，选择合适的聚焦离子束辐照参数对金刚石刀具刃口进行可控性加工，获得所需刃口半径的金刚石刀具。

其中的步骤3)中，聚焦离子束粗加工能量为30keV，束流1nA。

其中的步骤3)中，聚焦离子束精加工能量为5keV，束流0.1nA。

最后获得所需刃口半径的金刚石刀具所使用的聚焦离子束辐照能量为5keV，辐照束流为70pA。

初始未修锐的金刚石刀具为单晶金刚石三棱锥尖刀，且不对前刀面进行加工。

所述的聚焦离子束是镓离子束。

本发明提出的基于聚焦离子束加工的金刚石刀具可控修锐方法，与传统金刚石刀具研磨法相比，具有以下显著的优势：

首先，由于本发明提出的研究方法中，金刚石刀具修锐过程是在聚焦离子束和电子束(FIB/SEM)双束系统真空环境下实现的，避免了外界振动、灰尘污染等不利因素，且加工全程可在FIB/SEM成像系统下在线观测，有效提高了加工精度。

其次，纳米旋转臂可带动刀具实现360°回转，使得本加工方法非常灵活，可在金刚石刀具的局部指定位置实现聚焦离子束加工，显著提高了加工效率。

另外，刀具经过FIB修锐后，利用FIB辐照参数与刀具刃口半径之间的映射关系，可有效实现刀具刃口的可控性加工(加工出指定刃口半径的刀具)，为纳米切削机理的深入研究提供了必要的实验支撑。

该方法可制备出具有纳米级刃口半径的金刚石刀具，用于超精密加工、微纳制造、光学等领域。

附图说明

图1是金刚石刀具修锐装置示意图；

图2是聚焦离子束修锐金刚石刀具的过程示意图；

其中：图2a金刚石刀具毛坯；图2b后刀面粗加工；图2c一侧刀面粗加工；图2d另一侧刀面粗加工；图2e后刀面精加工；

图3是聚焦离子束辐照刀具刃口原理示意图；

图4是一组离子束辐照参数与刀具刃口半径之间的映射关系举例；

图5a是金刚石刀具修锐后的实物SEM照片之一；

图5b是金刚石刀具修锐后的实物SEM照片之二；

图6a是采用本发明的基于聚焦离子束加工的金刚石刀具可控修锐方法制作的10nm刃口半径金刚石刀具的SEM照片；

图6b是采用本发明的基于聚焦离子束加工的金刚石刀具可控修锐方法制作的15nm刃口半径金刚石刀具的SEM照片。

具体实施方式

本发明提供一种金刚石刀具可控性修锐方法，下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

参见图1：

首先通过碳导电胶将天然金刚石尖刀4固定在纳米旋转臂3上，并放置于FIB/SEM双束设备真空样品室内。然后，将刀具4移至距电子束极靴5mm处，通过电子束成像系统1对刀具4进行形貌观测。借助电子束高分辨率成像功能，使刀具4调整至最佳待加工位置后，通过纳米旋转臂3带动金刚石刀具4沿着t轴倾斜52°，使刀具4的待加工区域与聚焦离子束2方向垂直。纳米旋转臂3的伸出端可带动金刚石刀具4实现360°精密回转。

参见图2：其中，图2a金刚石刀具毛坯；图2b后刀面粗加工；图2c一侧刀面粗加工；图2d另一侧刀面粗加工；图2e后刀面精加工。

利用聚焦离子束2对金刚石刀具4进行修锐。天然金刚石尖刀示意图如图2a所示。首先对刀具的后刀面进行粗加工(图2b)。随后，通过纳米旋转臂3使刀具4顺时针旋转一定角度，进行一侧刀面的粗加工(图2c)。接着，通过纳米旋转臂3使刀具4逆时针旋转一定角度，进行另一侧刀面的粗加工(图2d)。上述粗加工时聚焦离子束的能量为30keV，束流为1nA，驻留时间为75μs。最后，对刀具4的后刀面再进行一次精加工。精加工时聚焦离子束的能量为5keV，束流为0.1nA，驻留时间为75μs。按此步骤可将天然金刚石尖刀修锐成刃口半径为10–20nm的直线刃刀具。

参见图3：

调整刀具4的角度(刀具前刀面6，刀具后刀面7)，使其直线刃与聚焦离子束2垂直。利用聚焦离子束2辐照功能照射刀具4的直线刃。

参见图4：

在聚焦离子束2辐照刀具4时，每隔20秒暂停辐照，并通过SEM成像系统1对当前的刀具刃口半径进行在线测量。测量后，继续上述步骤，直至累积辐照时间达到140秒。根据每次所设置的聚焦离子束辐照参数与每次测得的刀具刃口半径值，建立辐照能量、辐照时间与刀具刃口半径之间的映射关系。利用该映射关系图，可选择合适的辐照参数对金刚石刀具进行可控性加工，进而获得纳米切削机理研究中所需要的不同刃口半径的金刚石刀具。

本发明所述的基于聚焦离子束加工的金刚石刀具可控修锐方法，为纳米切削材料去除机理的深入研究提供了必要的技术支撑。

实施例1

采用聚焦离子束将天然金刚石尖刀加工成直线刃刀具，并将刀具刃口半径进行修锐。粗修后刀面及两侧刀面的离子束加工参数为：30keV，1nA，75μs。随后，精修后刀面，离子束加工参数为：5keV，0.1nA，75μs。直线刃刃长为10μm。聚焦离子束修锐后的金刚石刀具形貌如图5a、图5b所示。

实施例2

通过实例1，得到的刀具刃口半径为10nm，如图6a所示。然后，利用所建立的聚焦离子束参数与刀具刃口半径映射关系的数据库，选择合适的聚焦离子束辐照参数(5keV，70pA，25s)对金刚石刀具刃口进行可控性加工，获得刃口半径15nm的金刚石刀具，如图6b所示。

Claims (6)

1.一种基于聚焦离子束加工的金刚石刀具可控修锐方法，采用带有电子束和聚焦离子束功能的双束设备，包括下列步骤：

1)纳米旋转臂固定在双束系统工作台上，将金刚石刀具固定在纳米旋转臂上，并放置于双束设备真空样品室内；

2)将刀具移至距电子束极靴5mm处，通过电子束成像系统对刀具进行形貌观测；

3)利用聚焦离子束对刀具依次进行两侧刀面及后刀面进行粗加工和精加工，修锐刀具刃口；

4)调整刀具角度，使切削刃与聚焦离子束束流垂直；

5)利用聚焦离子束辐照功能照射刀具切削刃，通过多次实验，分别测量不同聚焦离子束参数条件下的刀具刃口半径值，建立辐照能量、辐照时间与刀具刃口半径之间的映射关系；

6)最终，利用多次实验所建立的聚焦离子束参数与刀具刃口半径映射关系的数据库，选择合适的聚焦离子束辐照参数对金刚石刀具刃口进行可控性加工，获得所需刃口半径的金刚石刀具。

2.根据权利要求1所述的基于聚焦离子束加工的金刚石刀具可控修锐方法，其特征在于，其中的步骤3)中，聚焦离子束粗加工能量为30keV，束流1nA。

3.根据权利要求1所述的基于聚焦离子束加工的金刚石刀具可控修锐方法，其特征在于，其中的步骤3)中，聚焦离子束精加工能量为5keV，束流0.1nA。

4.根据权利要求1所述的基于聚焦离子束加工的金刚石刀具可控修锐方法，其特征在于，最后获得所需刃口半径的金刚石刀具所使用的聚焦离子束辐照能量为5keV，辐照束流为70pA。

5.根据权利要求1所述的基于聚焦离子束加工的金刚石刀具可控修锐方法，其特征在于，初始未修锐的金刚石刀具为单晶金刚石三棱锥尖刀，且不对前刀面进行加工。

6.根据权利要求1所述的基于聚焦离子束加工的金刚石刀具可控修锐方法，其特征在于，所述的聚焦离子束是镓离子束。