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技術文章

大面積金剛石自支撐膜機械拋光的優化工藝研究

郭世斌1,曲飏2,呂反修1,唐偉忠1,佟玉梅1,宋建華1

(1.北京科技大學 材料科學與工程學院功能材料研究所;2.沈陽科晶自動化設備有限公司

摘要:

       研究了一種用于拋光等離子體濺射CVD法制備的金剛石自支撐膜的高效安全的拋光工藝。試驗探索了轉盤轉速、金剛石粉顆粒尺寸、磨盤表面形狀對金剛石自支撐膜磨拋速率的影響。研究表明:帶槽盤對金剛石自支撐膜的粗研磨效果明顯,速率較高,平面盤對提高金剛石自支撐膜的表面粗糙度有利;不同顆粒的金剛石粉對應著各自合適的能充分利用其磨削能力的轉速,在這個轉速下,金剛石自支撐膜的磨拋速率在12μm/h左右。本文通過對新的工藝參數的探索,為金剛石自支撐膜后續加工提供有力的技術支持。

關鍵詞:金剛石自支撐膜;機械拋光;優化工藝

1 引言

        眾所周知,金剛石是自然界目前所知*硬的材料,同時,它具有極高的熱導率,高的電子和空穴遷移率,并在很寬的光波段范圍內(0.2~25μm)透明[1]。因此,諸多的優異性能促使人們對金剛石材料產生了濃厚的興趣。早期,金剛石材料在刀具、磨具材料上廣泛應用,其它電子、熱學、光學、聲學、領域的應用都要求金剛石要經過拋光處理才能夠使用。20世紀90年代以來,隨著化學氣相沉積(CVD)技術的發展,人造金剛石自支撐膜已具有十分接近天然金剛石的各項性能。且成本也降到用戶可以接受的范圍,商業化應用前景可觀[2]。本研究所長期致力于金剛石自支撐膜的研究和開發,已經開發出擁有我國獨立知識產權的高功率100kW級直流電弧等離子體濺射化學氣相沉積系統(100kW DC Are Plasma Jet CVD),可以沉積出*大直徑為120mm的金剛石自支撐膜,厚度在1mm左右[3]。然而,金剛石自支撐膜的后加工(包括切割、拋光、平整化等工序)特別困難,所以在金剛石自支撐膜拋光方面本研究所亦進行過較多的研究[4,5],但是效果都不明顯,不是效率太低,且易損壞樣品,就是研磨設備成本過高,控制穩定性差,不利于進行產業化的應用。

       如今金剛石膜的拋光方法已經存在多種,從早期到現在依次有:金剛石粉研磨[6]、熱化學拋光[7]、離子束拋光[8]、等離子拋光[9]、化學機械拋光[10]、激光拋光[11]等方法。這些方法中,各有優缺點,萬靜[12]等綜述比較了這些方法各自的特點。本文選用的方法是*古老、*方便、原理*簡單的金剛石粉機械研磨拋光方法,研磨拋光的設備選用沈陽科晶設備制造有限公司專門研制的UNIPOL-1502A拋光機。通過研究研磨盤面形、轉盤轉速、金剛石粉顆粒尺寸對金剛石自支撐膜磨拋速率的影響,找出新技術的工藝參數和工藝條件。

2 試驗

       金剛石自支撐膜是由本實驗室的100kW級高功率直流電弧等離子體濺射化學氣相沉積系統制備而成,沉積金剛石自支撐膜的工藝參數如表1所示。

表1沉積金剛石自支撐膜的參數

功率(kW

基體溫度(℃)

CH4流量(ml/min

沉積時間(h

15

~950

120

80

 

沉積室壓強(kPa

H2流量(ml/min

Ar流量(ml/min

基體

4.2

8

2

Mo

       金剛石自支撐膜的直徑為?60mm,厚度為1mm,生長面的*初粗糙度Ra>12μm,并且表面生長不均勻,呈現起伏不平的形貌特征。

       拋光設備選用沈陽科晶設備制造有限公司UNIPOL-1502A型自動研磨拋光機,該設備可無極調速,試樣加載為載物盤自身重力加載,鑄鐵盤選平面盤或帶槽平盤,還可同時加工3個試樣達到小批量生產的能力。該設備研磨盤旋轉平穩,?380mm的研磨拋光盤的跳動范圍在5~10μm,對試樣損害小。

       金剛石粉選用高溫高壓爆炸制備的篩選粉,粒度分別是100/120、140/170、200/230,采用加水研磨,金剛石粉可部分回收。

       本實驗旨在探索新的設備的工藝參數,故嘗試不同的轉速,不同的金剛石粉顆粒尺寸,不同表面形狀的研磨盤,工作固定的時間段,選擇*大磨削量的工藝參數作為結果參數。

3 結果與討論

3.1 不同研磨盤對金剛石自支撐膜磨拋速率的影響

       選用粒度為100/120的金剛石粉分別在帶槽盤和平面盤上以50r/min的轉速研磨1h,對金剛石自支撐膜進行粗拋,測量多點相對高度,取平均值評價磨拋速率,不同磨盤對金剛石自支撐膜磨拋速率的影響如圖1所示。


圖1不同研磨盤對磨拋量的影響

        從圖1可以看出,帶槽盤對金剛石自支撐膜的磨拋速率快,有利于金剛石自支撐膜的粗拋過程。因為帶槽盤的工作原理是增大金剛石粉與金剛石自支撐膜的切削力,并且提高金剛石粉的滾動幾率,使得金剛石粉盡可能多地利用尖角磨削,從而提高磨拋速率。但是帶槽盤容易產生較多且深的劃痕,故而不利于金剛石自支撐膜的細拋。平盤對金剛石自支撐膜的磨拋屬于溫和型的,采用鑄鐵盤鑲嵌金剛石粉的方式磨削金剛石自支撐膜,對金剛石膜的切削力主要靠鑲嵌力來提供,故而相對恒定,可以促進金剛石膜表面粗糙度的降低,但磨削速率沒有帶槽盤大。

3.2 不同轉盤轉速對磨拋速率的影響

       選用粒度為200/230和140/170的金剛石粉在平盤上分別以30、35、40r/min的轉速研磨2h,不同轉速對磨拋速率的影響如圖2所示。


圖2 不同轉盤轉速對磨削量的影響

        從圖2可以看出,顆粒為140/170的金剛石粉研磨時,速度越大使得磨削速率越小,跟通常的觀點有些不同。試驗現象表現為,在速度不斷增加的時候,金剛石粉容易向外移動,*終被摔出研磨盤。這是因為轉速越大,所需的向心力越大,而磨盤的鑲刻力不能提供足夠大的向心力,從而金剛石粉容易被摔出,不能充分利用金剛石粉的磨削力,從而影響磨削效果。顆粒為200/230的金剛石粉研磨時,在35r/min時有個非常的大磨削量,也就是說在這個轉速時磨削效果*佳。試驗現象表現為,在30r/min時,金剛石粉容易因載物盤的自轉而向磨盤內聚集,影響了磨削效果;而40r/min時,金剛石粉因為向心力向磨盤外移動,*后被摔出,也沒有起到足夠磨削的作用。所以,可以初步估計顆粒為140/170的金剛石粉磨盤轉速在25~30r/min之間時磨削效果*佳,顆粒為200/230的金剛石粉在磨盤轉速35r/min時磨削效果*佳。

3.3 不同金剛石粉顆粒尺寸對磨削速率的影響

        通過之前的研究結果可以知道,在同一個轉速對不同的金剛石粉顆粒的磨削能力進行評價是不合適的,因為每一種顆粒都會對應一個合適的轉速。所以選用顆粒為200/230和140/170的金剛石粉在轉速分別為30、35、40r/min時進行研磨2h。選用顆粒為140/170和100/120的金剛石粉在轉速為20、30r/min時進行研磨2h,不同金剛石粉的顆粒尺寸對磨削量的對比圖如圖3所示。


圖3 不同金剛石粉顆粒尺寸對磨削量的影響

       從圖3可以看出,不同的金剛石粉顆粒尺寸對應有一個合適的轉速,在這個轉速下的*大磨削速率才能體現出金剛石粉的磨削能力。根據之前的數據以及試驗現象可以估計200/230的顆粒在35r/min時有*大磨削速率,140/170的顆粒在25~30r/min會產生一個*大的磨削量;100/120的顆粒將在20~25r/min之間產生一個*大磨削量,因為試驗數據顯示在10r/min時磨削量下降且金剛石粉易內聚,20r/min時金剛石粉的分布比較均勻。根據文獻[13]報道,金剛石粉對金剛石自支撐膜產生的磨削作用會有一個極值,也就是說同粒度的金剛石粉只能達到一定的磨削量,達到之后時間增長或者轉速增大,都不能改善磨削效果。而在本試驗中,不同的金剛石粉顆粒的*大磨削速率都在12μm/h左右,所以不同的金剛石粉顆粒需要找到其本身*好的匹配轉速,達到之后的磨削能力相差不大。

4 結論

        長期以來本實驗室在進行金剛石自支撐膜后續加工的領域里碰到的難題是磨削速率太低,安全性也低,容易損壞樣品,從而大大增加了研究成本,實際應用方面也受到阻礙。這次選用新的設備使用*簡單的方法,磨削速率有了很大的提高。又加上金剛石粉可以回收再利用,從而降低了后續加工的成本。通過本次新工藝的探索,得出以下結論:

      (1)帶槽盤的粗拋效果好,磨削速率大,平面盤的細拋效果好,有利于表面粗糙度的降低(細拋后的表面粗糙度0.5μm左右)。在金剛石自支撐膜研磨初期,使用帶槽盤進行粗磨,到達一定粗糙度之后選用平面盤進行細磨。

       (2)不同的金剛石粉顆粒尺寸都對應有一個磨削效果*好的轉盤轉速,一般是使得金剛石粉能夠在研磨帶上均勻分布的轉速范圍,充分利用金剛石粉的磨削能力。如本試驗的200/230粒度對應的35r/min,140/170粒度對應的20~25r/min,100/120粒度對應的20~25r/min。

       本次試驗所進行的磨拋工序是粗拋和細拋,精拋工藝需后續工作進一步探索。同時,本試驗過程中發現,新的設備和工藝雖然能提高磨削速率,降低表面粗糙度,但是不能改變金剛石自支撐膜的初始平面度,只會在原有平面度的基礎上進行拋光處理。然而平面度對金剛石自支撐膜的應用也有著較大的影響,所以有待進一步探索研究金剛石自支撐膜的平整技術。

參考文獻:

【1】戴達煌.金剛石薄膜沉積制備工藝與應用[M].北京:冶金工業出版社,2001.6.

【2】呂反修.[J].新材料產業,2003,116(7):63-67.

【3】呂反修,唐偉忠,劉敬明,等.[J].材料研究學報,20015,1(1):41-48.

【4】張恒大,劉敬明,宋建華,等.[J].表面技術,2001,30(1):15-18.

【5】付一良,呂反修,王建軍.[J].高技術通訊,1996(1):1-5.

【6】Thornton A G,Wilks J.[J].Diamond Research,1974,(Sup pl.):39-42.

【7】Okuzumi F,Tokura H,Yoshikawa M C. Advance in New Diamond Science and Technology[C].Tokyo:MY,1994.53-56.

【8】Ilias S,Sene G,Moller P,et al.[J].Diamond and Related Materials,1996,5:835-839.

【9】Sirineni G,Naseem H,Malshe A,et al.[J].Diamond and Related Materials,1997,6:952-958.

【10】Malshe A,Naseem H,Brown W,et al.[P].United States Patent:5725413,1998.

【11】Malshe A,Ozkan A,Brown W,et al.[P]. United States Patent:6168744,2001.

【12】萬靜,茍立,冉均國.[J].現代技術陶瓷,2003,95(1):31-34.

【13】傅惠南,王曉紅,姚強,等.[J].工具技術,2004,38:89-90.


   
       

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