CN115091338A - 通过加入金属氧化物纳米颗粒提高单晶金刚石抛光效率的方法 - Google Patents

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宋慧慧
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赵洪晨
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朱丽娜
付志强
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Abstract

本发明涉及单晶金刚石加工技术领域，特别涉及一种通过加入金属氧化物纳米颗粒提高单晶金刚石抛光效率的方法。在传统金刚砂抛光盘上，添加混合抛光液(去离子水与氧化铝或氧化锆质量比为：1:0.2～1:8)，提高单晶金刚石{111}晶面<100>晶向抛光效率。所述混合抛光液流速为100～200mL/h，匀速滴在高速旋转的金刚砂抛光盘上；所述抛光盘转速为500r/min～2500r/min。所述单晶金刚石的夹具为角度可调节夹具，施加压力约为0.5～20N。混合抛光液可有效保护金刚砂抛光盘，并为单晶金刚石的有效加工提供了新思路。

Description

通过加入金属氧化物纳米颗粒提高单晶金刚石抛光效率的 方法
技术领域：
本发明涉及单晶金刚石加工技术领域，特别涉及一种通过加入金属氧化物提高单晶金刚石抛光效率的方法。
技术背景：
单晶金刚石是由具有饱和性和方向性的共价键结合起来的晶体，具有极高的硬度和耐磨性，被广泛应用于高精密电子器件、切割刀具等。在应用过程中，对单晶金刚石的粗糙度有很高要求，特别是，要求单晶金刚石表面粗糙度为纳米级别。金刚石是已知自然界中最硬的物质，其加工难度更大。
现有单晶金刚石的抛光方法有：机械抛光、化学抛光及机械和化学的协同抛光。单晶金刚石在湿研磨状态下研磨效率极低，这是因为对金刚石的磨削是热化学与机械共同作用的结果。单晶金刚石硬度极高，在正常状态下很难被磨削，只有在较高温度状态下，表面层产生热化学反应，才能达到去除的效果。对化学抛光而言，选取适当的活性介质，借助化学和机械的协同作用去除材料，可以实现金刚石高效、低损伤抛光。
目前化学机械抛光金刚石还不成熟，存在一些问题，如化学抛光后，单晶金刚石表面腐蚀严重，并残留一定的污染物；抛光效率低，加工质量不太稳定；表面粗糙度停留在亚微米级，未发挥出化学机械抛光的传统优势；采用整体式加热，熔融盐挥发严重，给人体和环境带来极大的危害；缺乏相关的理论，机械和化学的协同作用机理尚不清楚，无法对工艺和生产提供指导；抛光液及加工工艺尚不成熟，无法进行工业化生产。
本发明基于传统抛光法，通过加热去离子水和氧化铝或氧化锆粉末的混合抛光剂，提高单晶金刚石抛光效率，减少抛光盘的磨损，提供一种简单、高效、高经济的新型抛光方法。
发明内容：
为了解决以上提出的问题，提高单晶金刚石{111}晶面<100>晶向抛光效率以及减少抛光盘的磨损，本发明提供一种简单高效、有经济价值的新型抛光方法。
本发明的方案如下：实验条件为常温常压大气环境，采用传统金刚砂抛光盘，添加去离子水和氧化铝或氧化锆(质量比为：1:0.2～1:0.8)的混合抛光液，混合抛光液匀速滴在高速旋转的金刚砂抛光盘上，流速为100～200mL/h。抛光盘转速为500r/min～800r/min，施加压力为0.5～20N。
所述购买的氧化铝或氧化锆粉末，颗粒大小均匀，表面包裹有厚度为6-12nm 化学改性后的石墨烯层，有利于在抛光剂悬浮。。
所述混合抛光液中的氧化铝粉末和氧化锆粉末的粒径为15～50nm。
所述氧化铝或氧化锆粉末需在干燥箱中干燥1小时以上。
所述在制备混合抛光液时，要用超声分散，频率为24kHz，温度为50℃～80℃，确保金属氧化物与去离子水混合均匀。
所述备混合抛光液时，要持续进行磁力搅拌，使金属颗粒在去离子水中均匀分布。
有益效果在于：
在传统金刚砂抛光盘的基础上，本发明添加了去离子水与氧化铝或氧化锆形成的混合抛光液。与传统的抛光方法相比，本发明提高了单晶金刚石{111}晶面 <100>晶向抛光效率，减少了抛光盘磨损率，且抛光后的光洁度非常高，能有效延长抛光盘的使用寿命，是一种简单高效、有经济价值的新型抛光方法。
附图说明：
图1未添加金属氧化物纳米颗粒抛光后单晶金刚石{111}晶面的AFM形貌图；
图2添加不同金属氧化物纳米颗粒抛光后的单晶金刚石粗糙度统计图；
图3添加不同金属氧化物纳米颗粒抛光单晶金刚石去除率(MRR)统计图；
图4添加氧化锆纳米颗粒抛光后单晶金刚石{111}晶面的AFM形貌图；
图5添加氧化铝纳米颗粒抛光后单晶金刚石{111}晶面的AFM形貌图。
具体实施例
实例1：去离子水加氧化铝
(1)氧化铝粉末粒径为15～30nm，按质量比1：3将离子水和氧化铝粉末混合，
密闭超声1.5小时，频率为24kHz，温度控制在60℃，形成混合抛光液。
(2)在进行传统抛光时，将(1)中混合抛光液以100mL/h的流速匀速滴在金刚砂抛光盘上，并施加15N压力，抛光单晶金刚石{111}晶面<100>晶向。
(3)抛光后使用原子力显微镜(AFM)观察样品表面形貌，测定样品表面粗糙度为1.5～4.0nm，通过计算可得抛光速率为15～50μm/h。
与常规抛光后样品对比，抛光效率显著提升，同时抛光盘的磨损更少，抛光盘的使用寿命有一定量的提升。
实例2：去离子水加氧化锆
(1)氧化锆粉末粒径为20～50nm，按质量比1：6.5将离子水和氧化锆粉末混合，密闭超声2小时，频率为24kHz，温度控制在80℃，形成混合抛光液。
(2)在进行传统抛光时，将(1)中混合抛光液以200mL/h的流速匀速滴在金刚砂抛光盘上，并施加5N压力，抛光单晶金刚石{111}晶面<100>晶向。
(3)抛光后使用原子力显微镜(AFM)观察样品表面形貌，测定样品表面粗糙度为2～5nm，通过计算可得抛光速率为10～50μm/h。
与常规抛光后样品对比，抛光效率显著提升，同时抛光盘的磨损更少，抛光盘的使用寿命有一定量的提升。

Claims (6)

1.一种通过加入金属氧化物提高单晶金刚石抛光效率的方法，其特征在于：实验条件为常温常压大气环境，采用传统金刚砂抛光盘，添加去离子水和氧化铝或氧化锆(质量比为：1:0.2～1:0.8)的混合抛光液，混合抛光液匀速滴在高速旋转的金刚砂抛光盘上，流速为100～200mL/h。抛光盘转速为500r/min～2500r/min，施加压力为0.5～20N。
2.根据权利要求1所述一种通过加入金属氧化物提高单晶金刚石抛光效率的方法，其特征在于：氧化铝或氧化锆粉末大小均匀，表面包裹有厚度为6-12nm化学改性后的石墨烯层，有利于在抛光剂悬浮。
3.根据权利要求1所述一种通过加入金属氧化物提高单晶金刚石抛光效率的方法，其特征在于：混合抛光液中的氧化铝粉末和氧化锆粉末的粒径为15～50nm。
4.根据权利要求1所述一种通过加入金属氧化物提高单晶金刚石抛光效率的方法，其特征在于：所用氧化铝或氧化锆粉末需在干燥箱中干燥1小时以上。
5.根据权利要求1所述一种通过加入金属氧化物提高单晶金刚石抛光效率的方法，其特征在于：在制备混合抛光液时，使用超声分散，频率为24kHz，温度为50℃～80℃，确保金属氧化物与去离子水混合均匀。
6.根据权利要求1所述一种通过加入金属氧化物提高单晶金刚石抛光效率的方法，其特征在于：在制备混合抛光液时，要持续进行磁力搅拌，使金属颗粒在去离子水中均匀分布。
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