CN110026831A - 金属粉末辅助机械抛光单晶金刚石的方法 - Google Patents

金属粉末辅助机械抛光单晶金刚石的方法 Download PDF

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陈广超
刘浩
李震睿
徐锴
陈正佳
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Abstract

一种金属粉末辅助机械抛光单晶金刚石的方法，属于金刚石材料加工技术领域。采用过渡族金属粉末与金刚石微粉混合粉末作为单晶金刚石机械抛光抛光介质，金属粉与金刚石粉的质量比为1:0.5～1:10。将金属粉末与金刚石微粉的混合粉末均匀涂覆于高速旋转的铸铁盘表面，抛光盘转速1000r/min～5000r/min。单晶金刚石以角度可调节夹具固定，并施加0.1Kg～20Kg的压力，抛光时单晶金刚石抛光面与抛光盘相接触并发生线速度为10m/s～100m/s的剧烈摩擦。抛光过程沿单晶金刚石(100)晶面的[100]晶向进行。优点在于：为实现单晶金刚石的高效加工提供一种经济高效的新途径。

Description

金属粉末辅助机械抛光单晶金刚石的方法
技术领域
本发明属于金刚石材料加工技术领域，特别是提供了一种过渡族金属粉末辅助机械抛光单晶金刚石的方法，可应用于单晶金刚石的高效抛光加工。
背景技术
单晶金刚石性能优异，在高功率光电子器件、高能粒子探测及量子信息等领域也展现出良好的应用前景。在金刚石的应用中，如高功率电子器件、光学窗口及高能粒子探测等领域，对金刚石材料的表面粗糙度要求较高，通常要求低损伤甚至无损伤的纳米级表面粗糙度的光滑平整的表面。然而金刚石是目前已知的最硬的材料，加工难度极大。
目前，单晶金刚石的主要加工方法机械抛光、热化学抛光、离子束刻蚀抛光、激光抛光及化学辅助机械抛光等方法。其中传统的机械抛光法效率较低，离子束刻蚀及激光抛光设备成本较高，且工艺较难控制。机械抛光主要利用游离磨料与金刚石膜表面接触，使金刚石膜表层发生变形直至C-C键断裂形成碎屑脱落，从而达到材料去除目的，同时金刚石膜与过渡族金属制成的研磨盘相互研磨，剧烈摩擦在接触面产生高温，使得金刚石中的碳原子扩散至金属板中，同时，金刚石膜表面被石墨化和氧化。热力学理论证实，石墨在大气下具有稳定的结构，而碳的其他晶格结构是亚稳的。提供一定的能量，金刚石很容易转化为石墨。在机械抛光中，金刚石与抛光盘接触界面，由于剧烈摩擦产生高温，高温会促进金刚石相向石墨相的转变和抛光盘材料与金刚石的互扩散，同时铁、镍等又可作为催化剂金刚石转化为石墨所需的能量，提高抛光效率。镍、钴、锰等金属的溶碳能力也很强，但成本相对较高，传统的机械抛光，出于经济方面的考虑多采用铸铁盘，随着抛光的进行，抛光盘表面碳浓度不断增大，溶碳能力不断降低，从而抛光速率逐渐降低。本专利提出采用过渡族金属粉末辅助机械抛光单晶金刚石的方法，可有效提高单晶金刚石的抛光效率及抛光质量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种金属粉末辅助机械抛光单晶金刚石的方法，在传统的热化学抛光单晶金刚石的方法中引入过渡族金属粉末，为实现单晶金刚石的高效加工提供一种经济可行的新方法。
本发明的加工方法是在常温常压大气环境下完成的。采用过渡族金属粉末与金刚石微粉混合粉末作为单晶金刚石机械抛光抛光介质，金属粉与金刚石粉的质量比为1:0.5～1:10。将金属粉末与金刚石微粉的混合粉末均匀涂覆于高速旋转的铸铁盘表面，抛光盘转速1000r/min～5000r/min。单晶金刚石以角度可调节夹具固定，并施加0.1Kg～20Kg的压力，抛光时单晶金刚石抛光面与抛光盘相接触并发生线速度为10m/s～100m/s的剧烈摩擦。抛光过程沿单晶金刚石(100)晶面的[100]晶向进行。
本发明的优点和积极效果：
本发明在传统的机械抛光单晶金刚石的方法中引入过渡族金属粉末，为实现单晶金刚石的高效加工提供一种经济高效的新工艺。
附图说明
图1为机械抛光装置结构简图。
图2为所用镍粉扫描电镜照片图。
图3为所用钴粉扫描电镜照片图。
图4为所用金刚石粉扫描电镜照片图。
图5为未抛光的单晶金刚石表面扫描电镜照片图。
图6为采用常规机械抛光工艺抛光单晶金刚石后，金刚石表面扫描电镜照片。
图7为采用镍粉与金刚石微粉混合粉末做抛光介质，完成抛光后，金刚石表面扫描电镜照片。
图8为采用钴粉与金刚石微粉混合粉末做抛光介质，完成抛光后，，金刚石表面扫描电镜照片。
具体实施方式
实例1
抛光实验样品选用高温高压法人工合成Ⅱa型(100)晶面金刚石，抛光前进行酒精超生除油，表面粗糙度约为60nm，用325目镍粉与0.5μm粒径金刚石微粉复合粉末作为抛光介质，镍粉与金刚石微粉质量比为4：1。样品沿<100>晶向抛光10min。抛光后通过O6223-01型螺旋测微计计量抛光速率，抛光速率为750μm/h。原子力显微镜(AFM)观察样品表面三维形貌并测试样品表面粗糙度,测得样品表面粗糙度为2.61nm。
实例2
抛光实验样品选用高温高压法人工合成Ⅱa型(100)晶面金刚石，抛光前进行酒精超生除油，表面粗糙度约为60nm，用325目钴粉与0.5μm粒径金刚石微粉复合粉末作为抛光介质，镍粉与金刚石微粉质量比为4：1。样品沿<100>晶向抛光10min。抛光后通过O6223-01型螺旋测微计计量抛光速率，抛光速率为875μm/h原子力显微镜(AFM)观察样品表面三维形貌并测试样品表面粗糙度，测得样品表面粗糙度为1.52nm。

Claims (1)

1.一种金属粉末辅助机械抛光单晶金刚石的方法，加工方法是在常温常压大气环境下完成的；其特征在于，采用过渡族金属粉末与金刚石微粉混合粉末作为单晶金刚石机械抛光抛光介质，金属粉与金刚石粉的质量比为1:0.5～1:10。将金属粉末与金刚石微粉的混合粉末均匀涂覆于高速旋转的铸铁盘表面，抛光盘转速1000r/min～5000r/min；单晶金刚石以角度可调节夹具固定，并施加0.1Kg～20Kg的压力，抛光时单晶金刚石抛光面与抛光盘相接触并发生线速度为10m/s～100m/s的摩擦；抛光过程沿单晶金刚石(100)晶面的[100]晶向进行。
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