单晶金刚石的研磨和抛光技术

      目前加工方法如上图所示,金刚石加工方法细分有21种。参考以前的研究将上述细分方法合并整理,现将研究较多的金刚石的抛光方法分类为:机 械研磨、热化学抛光、动摩擦抛光、化学-机械抛光(包括化学机械抛光、机械化学抛 光、化学辅助机械抛光和真空等离子化学抛光)、激光抛光、离子抛光(等离子体抛光 和离子朿抛光)、电火花抛光等。但有些研究较少的加工方法也很值得关注,如利用氧官能团加工金刚石的研究,复合加工方法等;近年新兴抛光方法 还有紫外线辅助抛光(Ultraviolet rays assisted polishing ) i和震动超级研磨 (Superfinishing vibropolish) 这里仅对研究较多的抛光方法进行介绍:

　　(1)机械研磨

　　机械研磨是最早最传统的金刚石加工方法,该法将混有金刚石微粉的研磨膏涂于研 磨盘上,利用金刚石粉末来加工金刚石。在加工过程中,磨料与金刚石试件表面之间产生划擦和冲击作用,使得金刚石试件表层的高点发生微破碎,从而达到平坦化的目的。机械研磨不需要特殊的加工环境,而且机械研磨法效率较高,是目前工业应用的主要加 工方法。但是该方法加工的试件表面粗糙度偏大,损伤层较厚;同时研磨盘端面跳动、机床振动都会一定程度地影响金刚石的加工质量。若要获得较高的加工质量,对加工设备和操作的人要求较高,成本也将大幅提高。国外以英国、日本和荷兰研究居多,早在 1983英国的Jeynes就对机械研磨的机理进行研究,1994年荷兰的Couto研究了金刚 石机械研磨中在“软方向”上的去除机理。由此可以看到国外机械研磨研究较国内至少早15年左右,并且研究的较为细致深入。机械研磨方法的研究国内以哈尔滨工业大 学为代表,1998年孙涛发表了单晶金刚石刀具机械刃磨和刃口检测的介绍性文章。 2007年哈工大的宗文俊等人对比了机械研磨与热化学抛光认为机械研磨可获得Ra 0.8nm表面,而热化学抛光只能获得2.0 nm表面,并加工出10 nm以下的单晶金刚 石车刀刃口。2010年又对单晶金刚石不同晶面的软硬方向进行了理论和实验研究。

　　(2)热化学抛光

　　热力学理论认为,较软的石墨是碳单质的稳定结构,而坚硬的金刚石却处在亚稳态 的,只要获得足够的能量,金刚石就很容易转化成石墨。较为典型的做法是将金刚石与 高温的铁盘相接触,金刚是表面的晶格在高温下转变为石墨结构,并扩散到铁盘中,然 后流动的氧气将扩散到铸铁盘里面的碳原子还原,生成甲焼气体,这样可以实现持续的 抛光金刚石。该方法抛光的金刚石表面的表面粗糖度为几个纳米,表面损伤层也较浅。后来发展到应用与铁材料结构相似的镍、钴、猛等金属和稀有金属饰、镧等。近年有研 究人员用高温的铜盘来加工金刚石,2009年Fumshiroa等人用加热的铜盘抛光单晶金刚 石,利用铜在空气中氧化产生的氧化铜与金刚石反应,6小时去除高度为7mn。总体 来看,该类方法无论针对单晶金刚石还是性能不均匀的多晶金刚石都有较好的加工质量和较高的加工效率,但是由于加工温度在70(rC以上甚至高于looor,将产生诸多问题, 例如抛光盘软化变形、耐磨性下降、加工环境恶劣、操作不便和设备复杂等问题。

　　(3)动摩擦抛光

　　动摩擦抛光技术实际上是对热化学抛光技术高温问题的改进,用摩擦产生瞬时局部 高温来代替整体加热产生高温。最早该方法由日本的学者Suzuki等在1996年提出动摩 擦抛光技术(Dynamic friction polishing,DFP) [28],应用的抛光盘材料也大多是热化学 抛光中所用的材料。2003年Suzuki等对动摩擦抛光金刚石的机理进行了研究,认为去 除是由于摩擦热引起的碳原子扩散和随后的氧化2009年大连理工大学苑泽伟博士 等人将金属合金化技术应用到新型抛光盘的制作中,用金属间化合物对金刚石进行抛 光,改善了抛光盘的性能,获得较好的加工效果。2009年,该方法的提出者Suzuki 等人发表了一篇在低压力下由加热方法提高去除效率的论文所谓的低压力为2-5 MPa,速度为2500 nrmin-、由此看来动摩擦压力过大和转速过高问题是存在的。

　　(4)化学-机械抛光