CN112461263B - 一种金刚石陀螺谐振子纳米制造方法 - Google Patents

一种金刚石陀螺谐振子纳米制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种金刚石陀螺谐振子纳米制造方法，属于难加工材料超精密加工领域。激光装置的激光脉冲频率在1‑500kHz可调，脉冲宽度在5‑300ps可调，激光斑点直径在5‑40μm可调，功率在0‑100W可调，可同时实现粗加工和精加工；纳米移动平台装置，能够实现X，Y，Z三坐标轴的移动和绕Z轴的转动，移动精度小于10nm，转动精度小于0.02°；原位在线检测装置利用激光干涉仪对加工质量进行原位检测；镀膜装置采用离子镀；聚焦离子束装置，加速电压在2‑30kV可调，电流在20pA‑50nA可调；本发明提供一种金刚石超硬材料复杂结构的纳米制造方法，实现金刚石陀螺谐振子纳米级精度制造。

Description

一种金刚石陀螺谐振子纳米制造方法
技术领域
本发明涉及一种金刚石陀螺谐振子纳米制造方法，涉及超硬材料纳米制造领域，属于难加工材料超精密加工领域。
背景技术
随着我国国防、航空、航天等重大工程的发展，对高性能装备的要求也越来越高，要求高性能装备的高性能零件在高温、高压、高频、高功率等极端苛刻条件下能够长期稳定的工作。金刚石作为超宽禁带半导体，是世界上硬度最高的材料，具有优异的力学、光学、电学等性能，其广泛应用在高能物理探测器、辐射探测器、激光光学元件等领域。但是，金刚石由于硬度高、耐磨性好、化学性质稳定，传统的加工方法很难对其进行加工。加工质量直接决定了金刚石高性能器件的性能，从而影响整个高性能装备的服役性能。我国是人造金刚石的生产大国，年产量稳居世界第一，每年超过90％的人造金刚石产自中国。目前，我国金刚石材料制备技术已经处于国际先进水平，能够生产出超大单晶金刚石，其质量接近天然金刚石。然而，很多结构复杂的高性能金刚石零部件仍然严重依赖进口，或者委托国外相关单位进行加工，国内根本无法加工制造，而对于国防、航空、航天等领域的核心关键制造技术，国外一直对我国进行严格的技术封锁。因此，复杂结构的金刚石加工技术是我国国防、航空、航天等领域高性能装备及高性能零件的核心关键制造技术。
惯导陀螺为非GPS导航，不受天气、电磁干扰影响，广泛应用于航空、航天、军工、国防等领域，现有的硅陀螺由于不能在高载荷等苛刻条件下使用，所以其应用领域十分有限。而金刚石由于其高硬度、高断裂强度等优异的物理性质，有望取代硅成为复杂苛刻条件下使用的惯导陀螺材料。但是，惯导陀螺最主要的零部件为谐振子，其结构复杂，而金刚石由于硬度高、耐磨性好、化学性质稳定，传统的机械加工方法很难对其进行加工，目前发展的加工金刚石的方法有机械研磨法、化学机械抛光、热化学抛光，但这些方法往往用来加工平面，而激光加工法虽然能够加工沟槽，但是其加工质量较差，很难加工出小型化零部件的复杂结构。因此，设计一种新的加工方法及加工工艺，在金刚石上加工出复杂微型结构，实现纳米精度制造，对于我国机械加工技术的提高以及国防、航空、航空等领域的重大装备性能的提高具有十分重要的意义。
发明内容
本发明采用一种金刚石陀螺谐振子纳米制造方法，通过样品台旋转和移动，利用激光束对样品表面进行扫描，加工出沟槽阵列，利用磁控溅射法在沟槽内镀一层金属膜，利用聚焦离子束对沟槽进行精修，本发明提供一种金刚石超硬材料复杂结构的纳米制造方法，实现金刚石陀螺谐振子纳米级精度制造。
本发明的技术方案：
一种金刚石陀螺谐振子纳米制造方法，利用激光束对样品表面进行扫描，加工出沟槽阵列，利用磁控溅射法在沟槽内镀一层金属膜，利用聚焦离子束对沟槽进行精修，实现对金刚石陀螺谐振子纳米精制造。激光束为皮秒激光，脉冲宽度为100-300ps，在样品表面粘一层聚酰亚胺胶带作为保护层，通过样品台旋转和移动，使激光束在样品表面进行扫描，加工出沟槽阵列；利用磁控溅射法将样品镀一层金属膜；利用聚焦离子束对沟槽进行精修，离子束束流为5-30kV,20-160pA；将样品取出，去掉聚酰亚胺胶带，并在酒精中超声清洗。本发明提供一种金刚石超硬材料复杂结构的纳米制造方法，实现金刚石陀螺谐振子纳米级精度制造。
(1)样品为金刚石片，边长为4-10mm，厚度为0.1-0.5mm。金刚石是世界上已知最硬的物质，具有优异的力学、光学、热学等性能，是高性能装备和高性能零件稳定可靠服役的保证。
(2)激光束为皮秒激光，脉冲宽度为100-300ps。皮秒激光，由于其脉冲宽度小，单个脉冲能量高，所以在样品同一区域持续加工时间少，可以减小热效应的影响，适合加工高硬度、高熔点的材料，所以选取皮秒激光对金刚石进行加工。
(3)将样品放入酒精溶液中超声清洗5-10min，利用压缩空气将样品吹干。在对样品进行激光加工之前需要先对样品进行清洗，去除样品表面的杂质等污染物，酒精是一种常用的无毒有机清洗溶剂，所以将样品放入酒精溶液中超声清洗，清洗之后将样品吹干，是为了保证样品清洁，同时防止加工过程中激光与液体产生作用，影响加工质量。
(4)将厚度为20-60μm的聚酰亚胺胶带粘在样品表面，将样品水平固定在工作台上，并调整工作台高度，使样品待加工表面处于激光束焦平面上，以样品几何中心为加工中心原点。在样品表面粘一层聚酰亚胺，是为了在镀金属膜工序中保护金刚石表面，使金属膜镀在沟槽里面；使用20-60μm聚酰亚胺，是因为聚酰亚胺耐高温，激光加工过程中产生的热量不会影响保护膜，保护膜过厚会增加激光加工时间；加工垂直沟槽，需要将样品水平固定在工作台上，使激光束与加工面相互垂直，因为激光焦平面处其能量最集中，能量密度最高，其加工效率最高，同时也可以提高加工的精度，所以需要调整工作台高度使样品表面处于激光焦平面上。
(5)打开激光束及氮气辅助气体，使激光束在样品表面进行扫描，加工出宽度为30-50μm，长度为30-50μm的垂直通孔槽。激光扫描过程中打开辅助气体，可以去除熔渣，使待加工部位和已加工部位保持清洁，同时还有冷却作用。
(6)将样品台沿中心旋转360/n度，n＝10-20，重复步骤(5)。为了保证陀螺谐振子具有高对称性，加工出正多边形结构，加工参数应一致。
(7)重复步骤(6)n-1次；为了保证陀螺谐振子具有高对称性，加工出正多边形结构，加工参数应一致。
(8)将样品台沿X轴方向移动20-60μm，重复步骤(5)-(7)，加工垂直通孔槽。为了保证陀螺谐振子具有高对称性，加工出正多边形结构，加工参数应一致。
(9)重复重复步骤(8)。为了保证陀螺谐振子具有高对称性，加工出正多边形结构，加工参数应一致。
(10)将样品取出放入酒精溶液中，超声清洗5-10min，利用压缩空气将样品吹干。在酒精中超声清洗，从而去除样品表面残渣及污染物。
(11)利用磁控溅射法将样品镀一层金属膜，使沟槽区域金属膜厚度为10-20nm。为了使通孔沟槽导电，利用聚焦离子束精修，需要镀一层金属膜。
(12)利用聚焦离子束对沟槽进行粗修，离子束束流为30kV，50-120pA。激光加工之后表面粗糙度以及损伤层较大，会严重影响器件的精度，需要利用聚焦离子束进行修整。
(13)利用聚焦离子束对沟槽进行精修，离子束束流为5kV，20-50pA。大束流离子束修正后会有非晶层，因此需要使用小束流进行去非晶，实现纳米级精度制造。
(13)去掉样品表面的聚酰亚胺胶带，将样品放入酒精溶液中超声清洗5-10min。聚酰亚胺胶带的作用使为了在镀金属膜时保护金刚石表面，加工完之后需要将胶带去掉，并在酒精溶液中超声清洗。
本发明的效果和益处是利用激光束对样品表面进行扫描，加工出沟槽阵列，利用磁控溅射法在沟槽内镀一层金属膜，利用聚焦离子束对沟槽进行粗修和精修，实现对金刚石陀螺谐振子纳米精制造。
具体实施方式
以下结合技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
实施例
金刚石样品为长6mm，宽6mm，厚度为0.3mm，将样品放入酒精溶液中超声清洗8min，然后用压缩空气吹干，将厚度为50μm的聚酰亚胺胶带粘在样品表面，将样品水平固定在工作台上，并调整工作台高度，使样品待加工表面处于激光束焦平面上，以样品几何中心为加工中心原点，所用的激光为皮秒激光，辅助气体氮气，打开激光束及氮气辅助气体，使激光束在样品表面进行扫描，加工出宽度为35μm，长度为45μm的垂直通孔槽，将样品台每次沿中心旋转30°，共旋转11次，加工出12个间距相同的垂直通孔槽，将样品台每次沿X轴方向移动40μm，加工出相同尺寸的垂直通孔槽，利用磁控溅射法将样品镀一层金属膜，使沟槽区域金属膜厚度为20nm建立直角坐标系，利用聚焦离子束对沟槽进行粗修，离子束束流为30kV，120pA，再用5kV，20pA的离子束进行精修，去掉样品表面的聚酰亚胺胶带，将样品放入酒精溶液中超声清洗8min。

Claims (1)

1.一种金刚石陀螺谐振子纳米制造方法，通过样品台旋转和移动，利用激光束对样品表面进行扫描，加工出沟槽阵列，利用磁控溅射法在沟槽内镀一层金属膜，利用聚焦离子束对沟槽进行粗修和精修，实现金刚石陀螺谐振子纳米级精度制造，其特征在于：
(1)样品为金刚石片，边长为8-10mm，厚度为0.1-0.5mm；
(2)激光束为皮秒激光，脉冲宽度为100-300ps；
(3)将样品放入酒精中超声清洗5-10min，利用压缩空气将样品吹干；
(4)将厚度为20-60μm的聚酰亚胺胶带粘在样品表面，将样品水平固定在工作台上，并调整工作台高度，使样品待加工表面处于激光束焦平面上，以样品几何中心为加工中心原点；
(5)打开激光束及氮气辅助气体，使激光束在样品表面进行扫描，加工出宽度为30-50μm，长度为30-50μm的垂直通孔槽；
(6)将样品台沿中心旋转360/n度，n＝10-20，重复步骤(5)；
(7)重复步骤(6)n-1次；
(8)将样品台沿X轴方向移动20-60μm，重复步骤(5)-(7)，加工垂直通孔槽；
(9)重复步骤(8)；
(10)将样品取出放入酒精中，超声清洗5-10min，利用压缩空气将样品吹干；
(11)利用磁控溅射法将样品镀一层金属膜，使沟槽区域金属膜厚度为10-20nm；
(12)利用聚焦离子束对沟槽进行粗修，离子束束流为30kV，50-120pA；
(13)利用聚焦离子束对沟槽进行精修，离子束束流为5kV，20-50pA；
(14)去掉样品表面的聚酰亚胺胶带，将样品放入酒精中超声清洗5-10min。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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GR01 Patent grant
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