專(zhuān)利名稱(chēng)：金剛石材料拋光方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種金剛石材料拋光方法。
背景技術(shù)：
金剛石膜是一種全晶質(zhì)、多晶純金剛石材料，具有天然金剛石的基本性質(zhì)；類(lèi)金剛石膜是指含有金剛石結(jié)構(gòu)的非晶碳膜，它的性能與純金剛石很接近。金剛石膜和類(lèi)金剛石膜有很高的硬度和耐磨性、良好的導(dǎo)熱性、絕緣性、光學(xué)特性、化學(xué)穩(wěn)定性及摻雜誘導(dǎo)半導(dǎo)體特性等，作為一種優(yōu)秀的工程結(jié)構(gòu)材料和功能材料，在裝飾、電子、光學(xué)、機(jī)械、光學(xué)等許多領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用前景。金剛石膜和類(lèi)金剛石膜在沉積過(guò)程中，會(huì)因?yàn)榫w沿著某些晶面的擇優(yōu)生長(zhǎng)，導(dǎo)致厚度不均、顆粒大小不等、表面粗糙度過(guò)大等問(wèn)題，在許多情況下很難直接應(yīng)用。而且金剛石膜和類(lèi)金剛石膜的硬度高，化學(xué)性能穩(wěn)定，在平整加工(拋光)中極易發(fā)生破裂，因此金剛石膜和類(lèi)金剛石膜的拋光問(wèn)題已成為擴(kuò)大其應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一。
單晶金剛石作為一種切削刀具材料和特殊的半導(dǎo)體材料等，其表面拋光質(zhì)量也至關(guān)重要。
目前單晶金剛石、金剛石膜和類(lèi)金剛石膜的主要拋光方法有機(jī)械研磨拋光、熱化學(xué)拋光、離子束拋光、激光束拋光、磨料水射流拋光、電火花拋光；純化學(xué)拋光、化學(xué)輔助機(jī)械拋光等。
傳統(tǒng)的機(jī)械拋光是采用金剛石粉添加到旋轉(zhuǎn)的金屬盤(pán)上或采用金剛石砂輪高速旋轉(zhuǎn)磨削金剛石材料，單晶金剛石、金剛石膜和類(lèi)金剛石膜的化學(xué)性能沒(méi)有發(fā)生顯著的變化。然而拋光和施加于金剛石膜和類(lèi)金剛石膜上的力易于在表面下產(chǎn)生微裂紋，大面積金剛石膜易于破裂。同時(shí)容易在加工表面留下不可消除的磨削痕跡。單晶金剛石的機(jī)械拋光效果同被拋光晶面的性質(zhì)有極大的關(guān)系。機(jī)械拋光的效率和成品率較低。
離子束拋光是利用氧氣或有較大濺射率的惰性氣體(如氬氣)離子，對(duì)金剛石材料進(jìn)行濺射刻蝕拋光。激光束拋光是用激光束掃描金剛石材料表面使金剛石瞬時(shí)氧化或蒸發(fā)。這兩種加工方法，通常用于小面積膜的加工，拋光的質(zhì)量一般，且設(shè)備昂貴，操作與控制要求較高。
磨粒水射流拋光是將磨粒懸浮液高速?lài)娤蚪饎偸け砻?，靠射流的沖擊與摩擦作用來(lái)拋光。該方法能較快地將粗糙的金剛石膜表面拋光達(dá)到較為光滑的程度，但該方法拋光的并不均勻，而且對(duì)金剛石膜有較大的沖擊，拋光后的表面有微觀裂紋。
電火花拋光金剛石膜方法通過(guò)在金剛石膜表面鍍上一層合適的金屬，使金剛石膜成為導(dǎo)體，然后進(jìn)行電火花放電加工，去除金剛石膜表面凸出的尖峰，達(dá)到拋光的目的，這種方法需要鍍膜，增加了加工工藝的復(fù)雜性，同時(shí)還只適合于粗加工。
由金剛石的性質(zhì)可知，金剛石720℃在純氧中燃燒，850℃在空氣中燃燒。利用金剛石的這些特性，提出了熱化學(xué)法、純化學(xué)法、機(jī)械化學(xué)法、化學(xué)輔助機(jī)械法等金剛石材料拋光方法。
熱化學(xué)方法是通過(guò)金剛石膜同熱金屬板相互接觸或?qū)⒔饘俜圩鳛槟チ弦詸C(jī)械研磨方式同金剛石膜接觸；通過(guò)使金剛石膜中的碳原子擴(kuò)散到熱金屬中、金剛石膜石墨化和金剛石膜的氧化來(lái)實(shí)現(xiàn)金剛石膜的去除。這些金屬包括鐵、錳、鎂、鈦、鋁等等；這種方法需要723℃以上的溫度；加工時(shí)間長(zhǎng)，效率低，但可實(shí)現(xiàn)最高的表面加工質(zhì)量。
純化學(xué)拋光主要是利用某些化學(xué)活性很強(qiáng)的金屬如鑭、鈰等在一定工藝條件下使金剛石膜表面產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，從而將金剛石膜表面的粗糙部分融蝕掉。但是由于化學(xué)反應(yīng)過(guò)程和蝕除過(guò)程本身的性質(zhì)，使之不可能達(dá)到很高的表面質(zhì)量。
US.Patent 5674107(J.E.Graebner等，1997)公開(kāi)報(bào)道了一種金剛石膜拋光方法，在機(jī)械拋光中使用酸性液體(H2O2、HClO、HNO3、H2SO4等)，添加氧化物磨粒(AgO、KNO3，CrO3，MnO2，BaO2，PdO2等組成的研磨液，在加溫條件下進(jìn)行拋光；JP2002346915(高橋裕，2002)公開(kāi)報(bào)道了一種機(jī)械化學(xué)拋光方法，將金剛石膜在由Cr2O3，F(xiàn)e2O3磨粒的H2O2或硝酸鹽組成的研磨液中運(yùn)動(dòng)，由于磨粒表面富集的氧對(duì)金剛石表面的氧化作用，使得金剛石膜粗糙表面受到切除拋光。但這些方法的加工表面質(zhì)量由于氧化物的腐蝕產(chǎn)生的孔洞難以去除。
眾所周知的金剛石的性質(zhì)表明，金剛石材料在室溫時(shí)金剛石抗所有酸、堿及溶劑，即使在高溫時(shí)，也抗所有的酸腐蝕。但在327℃時(shí)熔融的硝酸鈉可腐蝕金剛石表面，NaClO4等強(qiáng)氧化劑可在更低的溫度下刻蝕金剛石。
一種用金剛石氧化介質(zhì)拋光方法(Thornton等，Polishing diamonds in the presenceof oxidizing agents”，Industrial Review，Supplement，p.39，1974)，在不使用使用金剛石粉的條件下在鐵盤(pán)上拋光天然金剛石，添加了一定濃度的KNO3溶液，通過(guò)拋光面的觀察，認(rèn)為金剛石和硝酸鹽間的化學(xué)反應(yīng)，有助于金剛石表面的粗糙不平度下降。
機(jī)械和氧化化學(xué)拋光金剛石的方法(Tribological properties of polished diamondfilms″，Bharat Bhushan et al，J.Appl.Phys.74(6)，p.4174-4180，1993)，將兩片都需要拋光的金剛石膜面對(duì)面安裝，一片固定不動(dòng)并與熱源相連，另一片做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，兩片膜互相進(jìn)行研磨。在膜與膜之間充以硝酸鉀(KNO3)為主要成份的化學(xué)氧化劑，金剛石膜在機(jī)械研磨和氧化腐蝕的共同作用下被拋光。這種方法設(shè)備要求簡(jiǎn)單，膜的大小基本不受限制，且可使拋光效率比熱金屬板法提高數(shù)倍以上。但該方法當(dāng)兩塊膜進(jìn)行對(duì)研之前，必須進(jìn)行一次預(yù)拋光，方能取得較好的效果；運(yùn)用此種拋光方式所獲得的最終粗糙度有限。
一種機(jī)械和氧化化學(xué)拋光金剛石的方法(J.Kuehnle，O.Weis.Mechanochemical superpolishing of diamond using NaNO3or KNO3as oxidizing agents.Surface Science，340，p.16-22，1995)法將250-300℃的NaNO3和KNO3鹽柱連續(xù)穩(wěn)定地涂在磨盤(pán)表面，在將金剛石表面在鹽層上拋光，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明金剛石的拋光效率可達(dá)到0.5μm/h。拋光率與鹽層加載量、金剛石加載載荷、磨盤(pán)速度、鹽的種類(lèi)、晶面取向和其它拋光參數(shù)有關(guān)。
US.Patent 5725413(Malshe等，1998)公開(kāi)報(bào)道了一種金剛石和金剛石膜的平整化和拋光的方法和設(shè)備，這種方法是用外力將金剛石膜壓在拋光盤(pán)上，同時(shí)將金剛石膜浸潤(rùn)在380℃的熔融態(tài)的KOH、KNO3或95∶5的KOH和KNO3混合液中，使用硬質(zhì)氧化鋁等陶瓷拋光盤(pán)對(duì)金剛石膜進(jìn)行拋光的同時(shí)，利用熔融態(tài)的KOH和KNO3，對(duì)金剛石膜的腐蝕作用來(lái)達(dá)到拋光的目的。拋光過(guò)程中也可以加入硬質(zhì)顆粒以提高拋光率。這種方法的拋光速度要高于機(jī)械拋光或熱化學(xué)拋光。但需要將拋光盤(pán)加熱到380℃以上時(shí)，才可以進(jìn)行拋光，而在拋光設(shè)備實(shí)現(xiàn)這樣高的加熱溫度，同時(shí)金剛石材料還必須與拋光盤(pán)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，對(duì)拋光設(shè)備的設(shè)計(jì)和加工工藝要求比較高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是對(duì)機(jī)械和氧化化學(xué)拋光金剛石材料的方法進(jìn)行改進(jìn)。
本發(fā)明另一個(gè)目的是降低與金剛石材料產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)的熔融物質(zhì)的熔點(diǎn)，降低加工溫度和加工設(shè)備復(fù)雜性。
本發(fā)明的目的還在于控制熔融物質(zhì)在拋光盤(pán)上的分布，改變金剛石材料同與其產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)的熔融物質(zhì)和拋光盤(pán)的接觸狀態(tài)，產(chǎn)生穩(wěn)定的機(jī)械和化學(xué)拋光加工。
本發(fā)明的進(jìn)一步目的還在于加工出表面光滑的金剛石材料制品。
本發(fā)明提供的金剛石材料拋光方法，包括如下步驟(1)在拋光盤(pán)上加上鹽類(lèi)物質(zhì)，(2)以100～300℃的溫度加熱拋光盤(pán)，(3)將金剛石材料用0.2～0.3MP的壓力壓在拋光盤(pán)上，(4)旋轉(zhuǎn)拋光盤(pán)并保持鹽類(lèi)物質(zhì)同金剛石材料接觸，使金剛石材料表面被整平和拋光。
本發(fā)明所述的拋光盤(pán)材料是鑄鐵盤(pán)或鋁盤(pán)或不銹鋼盤(pán)，同時(shí)在拋光盤(pán)上開(kāi)了一定數(shù)量的相通或不相通的溝槽，這些溝槽使得熔融鹽在拋光盤(pán)上處于點(diǎn)、線狀；既可以使熔融態(tài)的氧化劑充分與金剛石材料接觸，又可以使得拋光盤(pán)對(duì)金剛石材料的機(jī)械拋光因?yàn)榻饎偸牧吓c拋光盤(pán)有足夠的接觸而得以真正實(shí)現(xiàn)。拋光盤(pán)上的溝槽還可以保證在以一定速度旋轉(zhuǎn)拋光盤(pán)時(shí)，熔融鹽可以保留在穩(wěn)定的平面狀態(tài)，不會(huì)因離心力而出現(xiàn)不平。
上述金剛石材料是金剛石膜、單晶金剛石或類(lèi)金剛石膜。
上述鹽類(lèi)物質(zhì)組成是KNO3，NaNO3，LiNO3，CsNO3，BaNO3，LiCL，CaNO3鹽類(lèi)物質(zhì)混合物。
上述鹽類(lèi)物質(zhì)混合物其組成是KNO3，NaNO3，與CsNO3，LiNO3，BaNO3，LiCL，CaNO3的不同組合混合物。
本發(fā)明所述還包括使用混合熔融鹽作氧化劑，降低了熔融鹽的熔點(diǎn)。
根據(jù)已有的研究結(jié)果，通常使用的氧化劑是熔融態(tài)的強(qiáng)堿或硝酸鹽等。這些物質(zhì)熔融態(tài)時(shí)具有熔融鹽的特性。熔融鹽是離子熔體；具有良好的導(dǎo)電性能，其導(dǎo)電率比電解質(zhì)溶液高一個(gè)數(shù)量級(jí)；具有廣泛的使用溫度范圍，通常的熔融鹽使用溫度在300-1000℃，具有相對(duì)的熱穩(wěn)定性；蒸氣壓低，熔融鹽具有較低的蒸氣壓，特別是混合熔融鹽，蒸氣壓更低；熱容量大；對(duì)物質(zhì)有較高的溶解能力；粘度較低；具有化學(xué)穩(wěn)定性等。
由于單一物質(zhì)的熔點(diǎn)都比較高，比如純KNO3的熔點(diǎn)是334℃，純NaNO3的熔點(diǎn)是310℃，而混合熔融鹽的溫度則要低得多，例如本發(fā)明采用的LiNO3(0.373)+KNO3(0.449)+NaNO3(0.178)其組成的混合熔融鹽的熔點(diǎn)是120℃；KNO3(0.57-0.60)+LiNO3(0.43-0.4)其組成的混合熔融鹽的熔點(diǎn)是128-134℃；CsNO3(0.24)+KNO3(0.39)+LiNO3(0.37)其組成的熔點(diǎn)是97℃。括號(hào)中給出的上述組成的比例均為摩爾比。本發(fā)明涉及的這些混合熔融鹽及其熔點(diǎn)具體為組成 摩爾比 熔點(diǎn)(℃)LiNO3+KNO30.54∶0.46 193LiNO3+KNO3(0.43-0.4)∶(0.57-0.60) 128-134LiNO3+KNO3+NaNO30.373∶0.449∶0.178 120CsNO3+KNO3+NaNO30.29∶0.33∶0.38 140CsNO3+KNO3+LiNO30.24∶0.39∶0.37 97BaNO3+KNO3(0.124-0.133) 287(0.876-0.867)BaNO3+NaNO30.064∶0.936 294-298BaNO3+CaNO3+NaNO30.333∶0.175∶0.492 158BaNO3+LiNO3+NaNO30.013∶0.532∶0.455 214CaNO3+NaNO30.310∶0.690 214LiCl+LiNO3+NaNO30.05∶0.80∶0.15 174我們的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，本發(fā)明的上述熔融鹽組成中的氧化劑KNO3和NaNO3在其一直保持在液態(tài)時(shí)，其氧化作用最強(qiáng)，對(duì)金剛石材料的腐蝕作用也最明顯，拋光效果也明顯改善。選擇合適的氧化劑、使用鑄鐵盤(pán)和不規(guī)則的盤(pán)面溝槽分布、選擇合適的轉(zhuǎn)速和增加壓力都有利于提高拋光效率。
我們的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果還表明，金剛石材料的氧化化學(xué)拋光是金剛石材料在壓力的作用下，其表面浸泡在熔融態(tài)的氧化劑中，氧化劑不僅在表面腐蝕金剛石材料，而且也會(huì)進(jìn)入到因機(jī)械摩擦或因壓力而在金剛石材料上產(chǎn)生的裂紋中，與里面的金剛石發(fā)生反應(yīng)，生成CO和CO2從而將金剛石去除。由于氧化性鹽的作用，金剛石還會(huì)有一部分轉(zhuǎn)變?yōu)槭头蔷?。激光拉曼光譜分析顯示拋光后的金剛石表面存在有少量非晶碳和石墨。這說(shuō)明在氧化化學(xué)拋光中，有少量金剛石轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷己褪?，在拋光后金剛石材料必須進(jìn)行清洗。同時(shí)拋光盤(pán)除了對(duì)金剛石膜有機(jī)械拋光作用外，還會(huì)使金剛石膜與拋光盤(pán)接觸部分溫度升高，增強(qiáng)氧化劑的活性，促進(jìn)非晶碳向石墨轉(zhuǎn)變，并將由金剛石生成的石墨去除掉。
本發(fā)明的拋光過(guò)程是，在拋光盤(pán)的溝槽中加入適量的混合鹽類(lèi)，將拋光盤(pán)加熱到混合鹽的熔點(diǎn)，使其熔化。將金剛石材料用一定的壓力壓在開(kāi)有溝槽的拋光盤(pán)上，通過(guò)電機(jī)帶光盤(pán)以一定的速度轉(zhuǎn)動(dòng)；并保持鹽類(lèi)物質(zhì)、拋光盤(pán)同金剛石材料接觸；拋光一段時(shí)間后使金剛石材料表面被整平和拋光。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于使用混合熔融鹽作為氧化劑，采用開(kāi)有溝槽的拋光盤(pán)，通過(guò)機(jī)械化學(xué)作用，在較低的溫度下，提高了金剛石材料拋光效率，降低了拋光成本，并獲得較好的拋光表面質(zhì)量。


圖1是金剛石材料拋光示意圖；圖中1為加熱盤(pán)；2為氧化性鹽；3為加壓壓塊；4為金剛石材料圖2是采用幾種不同的氧化性物質(zhì)拋光金剛石膜的材料去除量對(duì)比圖中氧化性物質(zhì)1為KNO3，氧化性物質(zhì)2為KNO3，氧化性物質(zhì)3為KNO3+NaOH，氧化性物質(zhì)4為KNO3+LiNO3。
具體實(shí)施例方式
下面通過(guò)某些代表性的例子進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明，但不限制本發(fā)明的范圍。
實(shí)施例1金剛石材料是CVD金剛石膜，表面粗糙度在3-8μm，拋光面積為1.1cm2；拋光溶鹽氧化劑組成為L(zhǎng)iNO3+KNO3，摩爾比(0.43-0.4)∶(0.57-0.60)，熔點(diǎn)130℃。壓力0.2MPa，拋光盤(pán)轉(zhuǎn)速81RPM，鑄鐵盤(pán)，磨盤(pán)溫度150℃，拋光后表面粗糙度Ra值達(dá)到0.4m。
實(shí)施例2金剛石材料是CVD金剛石膜，表面粗糙度在3-8μm，拋光面積為1.1cm2；拋光溶鹽氧化劑組成為L(zhǎng)iNO3+KNO3，摩爾比(0.43-0.4)∶(0.57-0.60)，熔點(diǎn)130℃；LiNO3+KNO3，鋁盤(pán)，磨盤(pán)溫度150℃。
如圖2所示，對(duì)比使用了NaOH，KNO3，NaOH+KNO3三種物質(zhì)做氧化劑(溫度320℃)拋光金剛石膜的材料去除率的比較。從這四種方法來(lái)看，在較低的溫度下使用本發(fā)明的工藝和溶鹽氧化劑LiNO3+KNO3的去除量最大。
實(shí)施例3金剛石材料是天然單晶金剛石，表面粗糙度在0.2，；拋光溶鹽氧化劑組成為L(zhǎng)iCL+LiNO3+NaNO3，摩爾比0.05∶0.80∶0.15，熔點(diǎn)174℃。壓力0.3MPa，轉(zhuǎn)速150RPM，鑄鐵盤(pán)，Ra值達(dá)到0.02m。
權(quán)利要求
1.一種金剛石材料拋光方法，其特征包括如下步驟(1)在拋光盤(pán)上加上鹽類(lèi)物質(zhì)，(2)以100～300℃的溫度加熱拋光盤(pán)，(3)將金剛石材料用0.2～0.3MPa的壓力壓在拋光盤(pán)上，(4)旋轉(zhuǎn)拋光盤(pán)并保持鹽類(lèi)物質(zhì)同金剛石材料接觸，使金剛石材料表面被整平和拋光。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金剛石材料拋光方法，其特征在于上述金剛石材料是金剛石膜、單晶金剛石或類(lèi)金剛石膜。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金剛石材料拋光方法，其特征是上述拋光盤(pán)表面有相通的或不相通的淺槽。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述金剛石材料拋光方法，其特征是上述拋光盤(pán)材料是鑄鐵盤(pán)、鋁盤(pán)或不銹鋼盤(pán)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述金剛石材料拋光方法，其特征是上述鹽類(lèi)物質(zhì)組成是KNO3，NaNO3，LiNO3，CsNO3，BaNO3，LiCL，CaNO3鹽類(lèi)物質(zhì)混合物。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的金剛石材料拋光方法，其特征是上述鹽類(lèi)物質(zhì)混合物其組成是KNO3，NaNO3，與CsNO3，LiNO3，BaNO3，LiCL，CaNO3的不同組合混合物。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述金剛石材料拋光方法，其特征是上述鹽類(lèi)物質(zhì)混合物組成摩爾比為L(zhǎng)iNO3+KNO3為0.54∶0.46；LiNO3+KNO3為(0.43-0.4)∶(0.57-0.60)；LiNO3+KNO3+NaNO3為0.373∶0.449∶0.178；CsNO3+KNO3+NaNO3為0.29∶0.33∶0.38；CsNO3+KNO3+LiNO3為0.24∶0.39∶0.37；BaNO3+KNO3為(0.124-0.133)∶0.876-0.867；BaNO3+NaNO3為0.064∶0.936；BaNO3+CaNO3+NaNO3為0.333∶0.175∶0.492；BaNO3+LiNO3+NaNO3為0.013∶0.532∶0.455；CaNO3+NaNO3為0.310∶0.690LiCL+LiNO3+NaNO3為0.05∶0.80∶0.1全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種金剛石材料拋光方法，首先在拋光盤(pán)上加上鹽類(lèi)物質(zhì)，并以100～300℃的溫度加熱拋光盤(pán)，然后將金剛石材料用壓力壓在拋光盤(pán)上，旋轉(zhuǎn)拋光盤(pán)并保持鹽類(lèi)物質(zhì)同金剛石材料接觸，使金剛石材料表面被整平和拋光；本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于使用混合熔融鹽作為氧化劑，采用開(kāi)有溝槽的拋光盤(pán)，通過(guò)機(jī)械化學(xué)作用，在較低的溫度下，提高了金剛石材料拋光效率，降低了拋光成本，并獲得較好的拋光表面質(zhì)量。
文檔編號(hào)B24B39/00GK1607068SQ20031011177
公開(kāi)日2005年4月20日 申請(qǐng)日期2003年10月15日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月15日
發(fā)明者王成勇, 張鳳林, 陳春林, 匡同春 申請(qǐng)人:廣東工業(yè)大學(xué)