CN112461266A - 一种金刚石陀螺谐振子纳米制造装备 - Google Patents

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Abstract

本发明属于难加工材料超精密加工领域，提供一种金刚石陀螺谐振子纳米制造装备。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装备，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装备
技术领域
本发明涉及一种金刚石陀螺谐振子纳米制造装备，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
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。惯导陀螺最主要的零部件为谐振子，其结构非常复杂，而且要求具有较高的对称度、平行度、垂直度和较低的表面粗糙度，由于硅刻蚀工艺相对比较成熟，所以陀螺谐振子主要是硅材料。但是，由于硅不能在高载荷等苛刻条件下稳定使用，所以其应用领域十分有限。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。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，有望成为陀螺谐振子的理想材料。
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。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，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。因此，开发一种金刚石陀螺谐振子纳米制造装备，实现对金刚石进行纳米精度制造，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
本发明提供一种金刚石陀螺谐振子纳米制造装备，该装备包括激光装置、纳米移动平台装置、原位在线检测装置、镀膜装置以及聚焦离子束装置，能够对金刚石陀螺谐振子进行纳米精度制造，使对称度、平行度、垂直度小于100nm。本发明提供一种金刚石超硬材料复杂结构的纳米制造装备，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：
(1)一种金刚石陀螺谐振子纳米制造装备，该装备包括激光装置、纳米移动平台装置、原位在线检测装置、镀膜装置以及聚焦离子束装置，能够对金刚石陀螺谐振子进行纳米精度制造。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装备，实现金刚石陀螺谐振子纳米级精度制造。
(1)激光装置，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；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。采用大功率可对金刚石进行粗加工，采用小功率可对金刚石进行精加工。
(2)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°；利用纳米移动平台对样品进行移动和转动，从而加工出高对称性复杂结构。
(3)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；激光干涉仪是公认的高精度、高灵敏度的测量仪器，可实现线性测长、角度、直线度、垂直度、平行度、平面度等几何参量的高精度测量，在高端制造领域应用十分广泛。
(4)镀膜装置，采用离子镀膜仪；离子镀具有薄膜附着力强，绕射性好，膜材广泛等优点，并且等离子体从阴极直接产生，不用熔池，阴极靶可根据工件形状在任意方向布置，使夹具大为简化。
(5)聚焦离子束装置，加速电压在2-30kV可调，电流在20pA-50nA可调；利用高电压和高电流对金刚石进行粗修，利用低电压和低电流金刚石进行精修，去除加工过程中产生的非晶层和晶体损伤层。
本发明的效果和益处是集中了可调激光束、纳米移动平台、原位在线检测装置、镀膜装置以及聚焦离子束装置，对金刚石进行粗加工、精加工以及超精加工，实现对金刚石陀螺谐振子纳米精度制造。
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
开发一套金刚石陀螺谐振子纳米制造装备，该装备包括激光装置、纳米移动平台装置、原位在线检测装置、镀膜装置以及聚焦离子束装置。激光装置的激光脉冲频率在1-300kHz可调，脉冲宽度在10-150ps可调，激光斑点直径在10-40μm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，移动精度为5nm，转动精度为0.02°；原位在线检测装置利用双频激光干涉仪对加工质量进行原位检测，激光稳频精度为±0.03ppm，测量精度为±0.4ppm，线性测量分辨率为1nm，角度测量分辨率为0.01″；镀膜装置采用离子镀膜仪；聚焦离子束装置，加速电压在2-30kV可调，电流在20pA-50nA可调，利用30kV，20nA聚焦离子束对金刚石进行粗修，利用5kV，20pA聚焦离子束对金刚石进行精修，去除加工过程中产生的非晶层和晶体损伤层。

Claims (1)

1.一种金刚石陀螺谐振子纳米制造装备，该装备包括激光装置、纳米移动平台装置、原位在线检测装置、镀膜装置以及聚焦离子束装置，对金刚石陀螺谐振子进行纳米精度制造，使对称度、平行度、垂直度小于100nm，其特征在于：
(1)激光装置，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，同时实现粗加工和精加工；激光束为皮秒激光，脉冲宽度为100-300ps；
(2)纳米移动平台装置，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°；
(3)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；
(4)镀膜装置，采用离子镀膜仪；
(5)聚焦离子束装置，加速电压在2-30kV可调，电流在20pA-50nA可调。
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