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金刚石合成动力学

关键词 金刚石合成 , 动力学|2008-02-26 00:00:00|技术信息|来源 中国超硬材料网
摘要 SMD已经广泛应用于陶瓷、光学元件、半导体材料和多媒体存储元件的加工和表面精磨(图1a和图1b)。在多数情况下,SMD不仅满足顾客特别要求的表面光洁度而且可以提供较高的磨削率。然而...

  SMD已经广泛应用于陶瓷、光学元件、半导体材料和多媒体存储元件的加工和表面精磨(图1a和图1b)。在多数情况下,SMD不仅满足顾客特别要求的表面光洁度而且可以提供较高的磨削率。然而,SMD内在的晶体结构最终限制了它用于进一步抛光处理。
  
  近年来,磨料制造商探索了一些好的选形方法,对小尺寸金刚石的基本晶形结构进行选形。微晶掺杂、石墨片、纳米技术的引进大大地改进了现代抛光工艺的应用。这里我们列出它与常规单晶在结构、功能方面的比较。
  
  单晶金刚石(SMD)的特性
  
  要了解新型金刚石磨料的特点,首先应了解传统单晶金刚石的特点。单晶金刚石是一种高规整性的固态晶体。在通常结构中,碳原子是被联系在一起的。每个碳原子和另外四个碳原子在平等的四面体结构中共用其核外的一个电子。为了满足工业需要,也为了模拟天然金刚石的生长条件,人工合成金刚石采用高温高压。当前人工合成金刚石的温度和压力在Ni催化剂作用下分别为2000K和60Kb(图1)。准确地说,世界上所有地方的压力都不尽相同。然而,所有SMD的生产都落在图2所示的相图的阴影部分里。生产SMD的厂家经常用很大的压力,因为反应室很小。单次合成的产量大约不到100克拉。合成的金刚石必须经过粉碎、球磨、清洗和分选。对于大多数抛光工艺来说,较高的分散性提高了SMD的磨除率。与其它晶形相比,SMD的切削刃更大、更锋利、更不易破碎。正是因为有了粗糙度才使微米、亚微米的SMD在破碎和球磨后仍能保持它们母体的形状特性(比如锥形和三角形)。SMD抗热、酸腐蚀,因此表面杂质含量很低。
  
  在生产微米金刚石的球磨和破碎阶段,沿着低能量晶体薄片的缺陷内在的产生了一些具有高的长径比的片状料。在抛光过程中,当这些被拉长的结构的取向与工件垂直时,过大的压力会造成表面破坏。如果磨粒在工作面上平移时,就会产生不规则的抛光和磨除率低等现象。对于金刚石供应商来说,在SMD进料阶段减少过多的高长径比的片状料是一个相当大的挑战。因为从流体力学方面来说,这些片状料的结构相当于小的更规则的成型料。在湿法分选过程中(照片3),由于增加的摩擦元件使片状料积聚能量,从而在分选中除去。这种现象等同于从肩高到地上扔两张纸。一张揉皱,一张平展,揉皱的那张纸很快接触地面,然而由 于空气的摩擦力,平展的纸将飘起来。如果能量的范围高于薄片产生裂纹的能量,而又低于普通形状片层的断裂能量,则片状料在球磨时能被分离开,较小的碎片也可以在分选中除去。然而,额外的严格分选延长了SMD粉末的生产时间,增加了它的成本。
  
  热处理合成单晶金刚石
  
  热处理合成单晶金刚石是在惰性气体中,在大约1200C温度下加热经过分选、清洗的SMD的过程。在这些条件下,粉末从亮灰色变暗至黑色(照片4)。这是表面结构经过重组变成混乱的层状石墨结构的外在表现(照片5)。这些石墨片在金刚石切削刃和工件之间起润滑作用。与SMD相比,这个涂层片提高了表面光洁度,降低了表面缺陷率。由上文可知,从流体力学角度来看,SMD中的片状料相当于已经成型好的料,所以很难一次完全除掉。然而,由于在成型过程中,整个HTSMD坯料被高温炉所包围,那些原本断裂或破坏的表面现在重新成型并且更加光滑。
  
  因为在加热过程中,那些无用的尖端片层会融化成大块或者完全消失,所以HTSMD的粒径分布比SMD更紧。
  
  这使得HTSMD在GMR中有一个明显的优点,在TMR精研磨工业中尤为重要。这些切削刃在低速离心旋转的磁盘上的滑行速度不到一微英寸。在研磨过程中,当其它形式的金刚石替代HTSMD时,工件表面上将会出现黑点。目前的理论是这样解释的:黑点很可能是嵌入表面的金刚石片。因为几乎所有的尖端片层都能被融化和润滑,所以HTSMD实际上消除了这种缺陷。当分散HTSMD时,必须特别小心(图6)。 热处理过程降低了表面极性,形成了更紧密的稳定区域。事实上,热处理金刚石必须经过一个表面裂化处理来增加它的表面极性,否则,在液态环境中几分钟,材料就会分层。HTSMD的价格确实比SMD高,但是如果正确应用,能够很好的弥补价格不足。
  
  聚晶金刚石
  
  不像SMD,SPD(聚晶金刚石)是通过震动合成的(图3)。高能量爆炸在石墨晶核上产生大约250Kb(大约相当于3,000,000,000psi)的压力。每个SPD片包含较小的金刚石微晶。如果不考虑母晶的粒径分布,微晶在每10-50nm内就有不同的晶向。单个微晶的硬度与SMD是可比的。当用扫描电子显微镜(SEM)可识别SPD与SMD的不同点时,就需要一个传输电子显微镜(TEM)来观察晶体结构(图7)。SPD的MRR高达SMD的10倍多。因为使用较少的SPD就能达到同等甚至更好的效果,并且因为其生产周期较短而需要较少的劳动力,所以早期投资很容易就能从抛光过程中收回。在最近五年里,SPD已经广泛并且成功地应用在硬盘市场。在向GB存储技术转变的过程中,SPD替代了SMD。主要归因于它在划痕率方面的重要研究意义。料浆浓度从每升10cts降至1cts甚至更少。80GB的软件将继续使用SPD。然而,就象SMD在GB转化过程中被淘汰一样,SPD也将不可避免的在从80GB到120GB甚至更大的转变过程中被另外一种形式的金刚石所替代。
  
  新型纳米金刚石—超分散金刚石
  
  近年来随着粒径的不断减小,金刚石的功能是在不断增大。每克拉纳米金刚石(平均粒径大约0.001微米左右的金刚石)的块数比传统微米金刚石的块数多得多。实际上,仅仅一克拉100nm的金刚石磨料就包括大约100百亿块。因为每克拉所包含的个数是与半径的立方成正比的,所以3微米金刚石的个数等于100,000克拉100nm的金刚石所包含的块数,也就是44lbs,相当于22吨30微米的金刚石。这种尺寸的金刚石通常被用于切割片。
  
  最新类型的纳米金刚石—超分散金刚石,每克拉大约包括100,000百亿普通粒子。如果我们拿这个数与每200mg4000块的300微米的百慕达海滩的沙子做比较,结果就变成了22百万吨(图8a和8b),足够填满一个550米长1ft深、50码的干沙海滩,也就是整个百慕达周长的14倍。这些块的直径一般在2-10纳米范围内,主要尺寸是3-7纳米。这些难以置信的小尺寸范围导致了一些术语的不一致。UDD通常指的是纳米金刚石,然而,纳米金刚石又是一个相当宽的范围,它也被用来称呼纳米 尺寸的SMD、SPD和HTSMD。UDD是纳米金刚石中一个特殊的一类。另一个使用越来越多的与UDD有关的术语是聚晶金刚石(cluster diamond)。这种描述对于UDD是独特的。凡涉及到聚晶纳米金刚石的专业术语就不是纳米聚晶金刚石。这样区分的原因是因为UDD包括主要粒子和次要粒子。主要粒子是UDD中可辨认的最小单元。这些粒子的表面能阻止了UDD完全分散至悬浮也就是阻止其分散成主要粒子的粉末。当今,在抛光工艺中应用的次要聚晶的平均粒径为100-800nm。UDD是在3000K的温度、100Kb的压强下,在金刚石的稳定区生长而成的。然而,区分UDD与其它类型金刚石的主要不同点在于进料、爆炸过程,并且UDD产品包括爆炸腔。腔体和爆炸过程都必须是缺氧的(〈6%),这样可以减少副产品,并且阻止金刚石向热力学稳定性更好的石墨的转变。不象其它的金刚石类型,UDD包含了很多表面功能群,比如CH3、NO2、COH、COOH、CO和C6H6,并且这些表面群主要是由C(87%)、O(10%)、N(2%)和H(1%)组成。这些表面群使UDD的密度降至大约2.8-3.1,尽管它的核心仍然是坚硬的单晶金刚石。
  
  用这种方法生产的UDD粒子的特点就是其切削刃不受内在摩擦可变性的影响(图9)。UDD粒子不象微米SMD那样必须由其母晶球磨而成,而是在爆炸过程中直接产生。抛光是相对无划痕的,因为在UDD制造过程中没有产生游离的片状料。最初的结果表明MRR是相对低的,但是如果用纳米级粒子抛光至埃或者亚埃量级粗糙度时,MRR就有望提高。
  
  所有的金刚石品种都有其各自的优缺点。在使用特性和价格之间有一条最佳准线。大体来说,SMD价格最便宜,然而晶体结构限制了它用于表面抛光。如果要增加磨除率,提高光洁度,HTSMD和SPD是切实可行的选择,但花费至少是SMD的10倍。对于埃量级粗糙度的超精抛光,UDD则是最好的选择。(本文由杨梅译著)
 

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