一种超细金刚石单晶微粉的制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种超细金刚石单晶微粉的制备方法，包括以下步骤：以机械破碎法得到的金刚石微粉作为籽晶，采用光刻胶超声振动均匀分散金刚石晶种工艺，将籽晶均散在硅基衬底表面，金刚石微粉的粒度为M0/1～M6/12；应用热丝化学气相沉积法对经过播种籽晶的硅基衬底进行沉积，获得金刚石单晶颗粒；采用化学腐蚀硅基衬底结合高速离心沉降颗粒工艺处理获得的金刚石单晶颗粒，以获得超细单晶金刚石微粉。采用本发明可以获得超细金刚石单晶微粉。
【专利说明】一种超细金刚石单晶微粉的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及金刚石制造【技术领域】，尤其涉及一种超细金刚石单晶微粉的制备方法。
【背景技术】
[0002]金刚石微粉通常指粒度在0.1 μ m~54 μ m之间的金刚石颗粒，小于15 μ m的又称为超细微粉。金刚石微粉主要用于工件表面的超精密光整加工一研磨及抛光工序中。随着电子技术的发展，对各类光电子晶体、计算机硬盘基片、光学元器件及半导体集成电路硅片等精密器件抛光的需要日益增多，为了满足这些精密器件的加工要求，对超细金刚石微粉的需求越来越多，同时也对金刚石微粉的晶形、均匀性以及机械性能提出了更高的要求，以达到高效率、高精度的研磨和抛光要求。因此，研究优质高品级金刚石微粉的生长工艺，提高金刚石微粉的合成技术水平已成为人造金刚石行业关注的焦点。
[0003]利用静压法制备的颗粒金刚石的粒度一般大于38μπι，由于此方法的金刚石形核率低而生长速率又过快，导致细颗粒的金刚石很难形成，目前人造金刚石微粉绝大部分(90%以上)是采用机械粉碎法加工而成，在国外还有少量金刚石微粉是采用爆炸法生产的。粉碎法是指以两面顶、六面顶静态高压高温设备制造的粗粒度金刚石为原料，经过球磨破碎、粉碎等工序加工成粒度为0.5~54 μ m的金刚石微粉，其粒度大小可以通过粉碎工艺得到控制。但机械粉碎法的制备工艺极其繁琐，提纯及粒度筛选工作耗时较长，生产效率受到严重制约。更为重要的是，此方法得到单晶形态主要取决于破碎粉碎工艺，因此颗粒晶形差、晶面不完整、棱角尖锐，并且针、片状颗粒也难以消除，上述这些缺点都直接影响被加工件的表面质量，尤其难以满足精密产品的抛光要求。
[0004]动态高压法(又称爆炸法)制备金刚石微粉是指利用TNT(三硝基甲苯)和RDX(黑索金)等烈性炸药爆炸后所产生的强烈冲击波作用于石墨，在几微秒的瞬间得到几十万个大气压和几千度的高温，使石墨转变为金刚石，其合成粒度一般可控制在0.01~50 μ m之间。爆炸法合成的微粉呈多晶体结构，虽然没有粉碎法单晶颗粒的尖锐棱角，但品级纯度较低，多晶颗粒的比表面积比同粒度单晶颗粒大3倍左右，其表面更容易吸附杂质，形成的金刚石粒度差异也较大，因而微粉的回收处理和提纯分选更为困难，且爆炸法金刚石的转化率极低，生产效率受到限制。
[0005]经对现有技术的文献检索发现，吉林大学高峰的博士学位论文《高品级超细颗粒金刚石的高温高压合成》记载利用六面顶高温高压设备，采用粉末触媒技术，对高品级金刚石微粉(〈38 μ m)的合成工艺和方法进行了研究，并成功合成了具有完整晶形，尺寸38~1ym的优质细颗粒金刚石单晶。然而，采用该方法制备金刚石颗粒的过程中，必然会伴随大量的触媒杂质，使得颗粒提纯非常困难，目前只能针对38 μ m左右的金刚石颗粒进行提纯，尚无有效的技术对超细颗粒进行提纯；此外，该方法合成金刚石的速率非常快，约为1000 μ m/h,因而超细金刚石颗粒制备流程非常复杂，工艺条件也难以掌控。中国专利“金刚石单晶同质内延修复以及同质外延生长的方法”(CN200910210558)记载了一种采用化学气相沉积(英文Chemical Vapor Deposit1n,缩写为CVD)金刚石设备，以0.5~20mm金刚石单晶为晶种，于700~2000°C的温度下进行气相沉积的内延修复和外延生长的方法，可用于修复现有金刚石的内部空洞和裂纹等缺陷，去除金刚石的内部杂质和颜色，增加其透明度和洁净度，并可以在金刚石单晶外表面的各个取向上同质外延生长，得到纯净的较大尺寸金刚石单晶，然而该方法仅适用于毫米级大单晶金刚石的CVD修复生长，对于超细晶种基体均匀分布以及超细单晶颗粒抑制成膜等问题未能给出解决途径，因而不能实现有籽晶金刚石单晶微粉的有效合成。
[0006]上世纪80年代初，日本学者Setaka、Matsumoto等人首次报道在低压条件下采用化学气相沉积(CVD)法在异质材料表面上生长出金刚石膜。随后，在世界范围内掀起金刚石膜的研究热潮，经过近三十年的努力，金刚石膜沉积工艺得到长足进步。自从CVD金刚石合成技术出现以来，研究领域一直试图利用此项技术，合成高品级优质晶形的单晶金刚石，并已经取得不少成绩。与高温高压法(英文high temperature-ultra high pressureprocess，缩写为HPHT)法相比，CVD法制备的金刚石具有以下显著优势:①CVD法制备的金刚石纯度高，杂质和缺陷极少。在CVD法中，只要使用高纯度气体，原则上就能生长高纯度金刚石。②CVD制备的金刚石晶形优良。CVD生长的单晶金刚石通常具有完整的晶形以及光滑的自形面，可合成晶面清晰、晶形突出的立方单晶结构。③CVD设备相对简单、耗能低、合成工艺简单并易于控制、运行成本低。CVD金刚石合成的方法虽然很多，但除了传统的热丝化学气相沉积(英文Hot Filament CVD,缩写为HFCVD)法、微波等离子化学气相沉积(英文Microwave Plasma CVD,缩写为MPCVD)法、直流电弧等离子喷射化学气相沉积(英文DC arc Plasma Jet CVD,缩写为DPJCVD)法以外，其他CVD法还远未达到实用化的稳定程度。其中，热丝化学气相沉积(HFCVD)法因设备简单、易于控制、沉积面积大且合成金刚石质量较好而倍受青睐，已成为CVD金刚石合成产业化的主攻方向。
【发明内容】
[0007]本发明的目的在于克服上述现有技术存在的不足，提供一种超细金刚石单晶微粉的制备方法，以传统机械粉碎法制备的金刚石微粉作为籽晶，通过光刻胶超声振动均匀分散金刚石晶种工艺，使晶种实现在硅基衬底均匀分布的目标；在此基础上，采用热丝化学气相沉积法，调整沉积工艺参数，修复基体晶种表面缺陷、合成高品级立方-八面体聚形单晶颗粒、抑制颗粒成膜，可实现多颗籽晶同时均匀优质生长的目的；最后，采用化学腐蚀硅基衬底结合高速离心沉降颗粒工艺，可实现衬底颗粒的有效脱附和收集，从而获得纯净的自支撑闻品级超细金刚石单晶微粉。
[0008]本发明通过下列技术方案实现:一种超细金刚石单晶微粉的制备方法，其中，包括以下步骤:
[0009](SlO):以机械破碎法得到的金刚石微粉作为籽晶，采用光刻胶超声振动均匀分散金刚石晶种工艺，将所述籽晶均散在硅基衬底表面，所述金刚石微粉的粒度为M0/1~M6/12 ；
[0010](S20):采用热丝化学气相沉积法对所述步骤(SlO)中经过播种籽晶的所述硅基衬底进行沉积，获得金刚石单晶颗粒；
[0011](S30):采用化学腐蚀硅基衬底结合高速离心沉降颗粒工艺处理所述步骤(S20)中获得的所述金刚石单晶颗粒，以获得超细单晶金刚石微粉。
[0012]优选地，所述步骤(SlO)中的所述光刻胶超声振动均匀分散金刚石晶种工艺包括:晶种光刻胶混合工艺以及离心甩胶工艺。
[0013]优选地，所述晶种光刻胶混合工艺是指:将所述机械破碎法得到的金刚石微粉作为籽晶混入光刻胶溶液中，并快速搅拌令其充分混合，再将混合好的籽晶光刻胶溶液超声振动30min以上。
[0014]优选地，所述机械破碎法得到的金刚石微粉与所述光刻胶溶液的混合比例在3~llmg/mL 之间。
[0015]优选地，所述离心甩胶工艺是指:利用甩胶台将所述晶种光刻胶混合工艺中混合好的所述籽晶光刻胶溶液，在高速离心的作用下均匀散布在所述硅基衬底表面，所述甩胶台的转速设定在4000rpm,时长为30~60s,然后对甩胶后的所述娃基衬底表面进行烘干处理。
[0016]优选地，所述步骤(S20)中，对所述硅基衬底沉积的工艺参数为:4500Pa反应压力、800~900°C衬底温度、1.3~1.4%碳源浓度、IA偏流强度、沉积时间I~10h。
[0017]优选地，所述步骤(S30)中，所述化学腐蚀硅基衬底结合高速离心沉降颗粒工艺包括:基体去除工艺、混合酸溶液去除工艺、以及颗粒蒸馏工艺。
[0018]优选地，所述基体去除工艺是指:将沉积后的所述硅基衬底浸泡在体积比为1:1的硝酸与氢氟酸的混合酸溶液中超声清洗10~15min，以去除所述硅基衬底。
[0019]优选地，所述混合酸溶液去除工艺是指:利用高速离心机对浸泡有所述硅基衬底的混合酸溶液进行颗粒沉降，设置所述高速离心机转速为lOOOOr/min，时长为5min ;待所述颗粒与所述混合酸溶液分离后，将上层所述混合酸溶液缓慢吸出，并向剩余的颗粒悬浊液中注入蒸馏水，辅助以超声振动进行清洗以得到呈中性的颗粒悬浊液。
[0020]优选地，所述的颗粒蒸馏工艺是指在无尘环境下，将所述中性的颗粒悬浊液倒入蒸馏瓶中，加热去除水溶液，即得到自支撑超细金刚石单晶微粉。
[0021]与现有技术比较，本发明具有的实质性特点和显著进步为:
[0022]本发明的超细金刚石微粉中70~80%以上的颗粒都具有六-八面体高品级聚形晶体形态，且颗粒表面光洁，无明显生长缺陷，颗粒具有极高的抗冲击性能，与传统的机械粉碎或爆轰法超细微粉相比，化学气相沉积(CVD)超细金刚石单晶微粉在今后的抛光应用中会更具潜力，有利于提高抛光精度及效率，将尤为适合高精密器件的抛光加工。
【专利附图】
【附图说明】
[0023] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0024]图1为依据本发明的超细金刚石单晶微粉的准备方法的步骤流程图。
[0025]图2为依据本发明实施例1获得的超细金刚石单晶微粉的表面形貌图。
[0026]图3为依据本发明实施例4获得的超细金刚石单晶微粉的表面形貌图。
【具体实施方式】
[0027]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0028]图1为本发明的步骤流程图。参照图1，
[0029]步骤SlO:采用光刻胶超声振动均匀分散金刚石晶种工艺，将籽晶均散在硅基衬底表面。以机械破碎法得到的金刚石微粉作为籽晶，金刚石微粉的粒度为M0/1~M6/12，采用光刻胶超声振动均匀分散金刚石晶种工艺，将作为籽晶的金刚石微粉均散在硅基衬底表面。其中，光刻胶超声振动均匀分散金刚石晶种工艺具体又包括:晶种光刻胶混合工艺和离心甩胶工艺。首先，进行晶种光刻胶混合工艺:将通过机械破碎法得到的少量金刚石微粉作为籽晶混入一定量的光刻胶溶液中，并快速搅拌令其充分混合，具体的，金刚石微粉与光刻胶溶液的混合比例在3~15mg/mL之间，再将混合好的籽晶光刻胶溶液超声振动30min以上，可避免这些超细微粉发生团聚；然后，进行离心甩胶工艺:利用甩胶台将前面晶种光刻胶混合工艺中混合好的籽晶光刻胶溶液，甩胶台的转速设定在4000rpm,时长约为30~60s，在高速离心的作用下均匀散布在硅基衬底表面，一般衬底为镜面抛光的单晶硅片，接着对甩胶后的硅基衬底表面进行烘干处理。
[0030]步骤S20:采用热丝化学气相沉积法对经过播种籽晶的硅基衬底进行沉积，获得金刚石单晶颗粒。其中，采用热丝化学气相沉积法对经过播种籽晶的硅基衬底进行沉积时，各工艺参数为:4500Pa反应压力、800~900°C衬底温度、1.3~1.4%碳源浓度、IA偏流强度、沉积时间I~10h，经过CVD沉积，籽晶表面缺陷可被修复，金刚石单晶颗粒呈现立方八面体闻品级形态。
[0031]步骤S30:采用化学腐蚀硅基衬底结合高速离心沉降颗粒工艺处理获得的金刚石单晶颗粒。最后，进行化学腐蚀硅基衬底结合高速离心沉降颗粒工艺，以获得超细单晶金刚石微粉。具体包括:基体去除工艺、混合酸溶液去除工艺、以及颗粒蒸馏工艺。基体去除工艺是指:将沉积后的硅基衬底浸泡在体积比为1:1的硝酸与氢氟酸的混合酸溶液中进行超声清洗10~15min，以去除硅基衬底。混合酸溶液去除工艺是指:利用高速离心机对浸泡有硅基衬底的混合酸溶液进行颗粒沉降，可以设置高速离心机转速为lOOOOr/min，时长为5min，待颗粒与混合酸溶液分离后，将上层混合酸溶液缓慢吸出，并向剩余的颗粒悬浊液中注入蒸馏水，辅助以超声振动进行清洗以得到呈中性的颗粒悬浊液，当然对混合酸溶液离心-水洗工艺可以反复操作7~8次，直至得到呈中性的颗粒悬浊液。颗粒蒸馏工艺是指:在无尘环境下，将中性的颗粒悬浊液倒入蒸馏瓶中，加热去除水溶液，即得到自支撑超细金刚石单晶微粉。
[0032]实施例1
[0033]首先，将通过机械破碎法获得的M0/1粒度的金刚石微粉混入光刻胶溶液中，金刚石微粉与光刻胶溶液的配比浓度为3mg/mL，并快速搅拌令其充分混合，再将混合好的籽晶光刻胶溶液超声振动30min以上，以避免这些超细微粉发生团聚。然后利用甩胶台将混合好的籽晶光刻胶溶液溶液，在高速离心的作用下均匀的散布在硅基衬底表面(衬底为镜面抛光的单晶娃片)，甩胶台的转速设定在4000rpm,时长为30s。接着对甩胶后的娃基衬底进行烘干处理。
[0034]接下来，将经过播种籽晶的硅基衬底放入热丝CVD装置的反应室中进行沉积，热丝采用直径为Φ0.8mm双绞线钽丝，将热丝平行排布于硅基衬底之上，并利用耐高温弹簧使热丝在沉积过程中始终保持挺直水平状态。待反应室抽真空后通入反应气体(氢气和丙酮)，调整反应室的压力后开始对经过播种籽晶的硅基衬底进行沉积，沉积工艺过程中的各参数为:反应气体压力为4.5kPa、碳源浓度为1.3%、热丝温度约为200(TC、衬底表面温度约为850°C、偏压电流强度1.0A、沉积时间lh。经过CVD沉积后，籽晶表面缺陷可被修复，获得的金刚石单晶颗粒呈现立方八面体高品级形态。
[0035]最后，将CVD沉积后的硅基衬底从CVD反应室中取出，并使其浸泡在体积比为1:1的硝酸与氢氟酸的混合液中进行超声清洗10~15min，再利用高速离心机，可以设置高速离心机的转速为10000r/min，时长为5min，进行颗粒沉降混合酸分离试验，待分离成功后，将上层混合酸溶液缓慢吸出，并向剩余的颗粒悬浊液中注入蒸馏水，辅助以超声振动进行清洗，此离心-水洗工艺反复操作约7~8次后，可得到呈中性的颗粒悬浊液。在无尘环境下，将得到的中性的颗粒悬浊液倒入蒸馏瓶中，加热去除水溶液，即可得到自支撑超细金刚石单晶微粉。
[0036]图2为依据本发明实施例1获得的超细金刚石单晶微粉的表面形貌图。如图2所示，采用上述方法可获得平均尺寸为2.3μπι超细金刚石单晶微粉，其中85.5%颗粒呈现出立方-八面体的高品级聚形晶态，其表面光滑，无明显生长缺陷，且颗粒的金刚石纯度极高，与机械破碎或爆轰法制备的超细微粉相比，在晶形及表面质量上占有绝对优势，具有非常优良的抗冲击性能，有利于提高抛光精度及效率，将尤为适合高精密器件的抛光加工。
[0037]实施例2
[0038]首先，将通过机械破碎法获得的Μ1/2粒度的金刚石微粉混入光刻胶溶液中，金刚石微粉与光刻胶溶液的配比浓度为4mg/mL，并快速搅拌令其充分混合，再将混合好的籽晶光刻胶溶液超声振动30min以上，以避免这些超细微粉发生团聚。然后利用甩胶台将混合好的籽晶光刻胶溶液溶液，在高速离心的作用下均匀的散布在硅基衬底表面(衬底为镜面抛光的单晶娃片)，甩胶台的转速设定在4000rpm,时长为60s。接着对甩胶后的娃基衬底进行烘干处理。
[0039]接下来，将经过播种籽晶的硅基衬底放入热丝CVD装置的反应室中进行沉积，热丝采用直径为Φ0.8mm双绞线钽丝，将热丝平行排布于硅基衬底之上，并利用耐高温弹簧使热丝在沉积过程中始终保持挺直水平状态。待反应室抽真空后通入反应气体(氢气和丙酮)，调整反应室的压力后开始对经过播种籽晶的硅基衬底进行沉积，沉积工艺过程中的各参数为:反应气体压力为4.5kPa、碳源浓度为1.3%、热丝温度约为1900°C、衬底表面温度约为850°C、偏压电流强度1.0A、沉积时间3h。经过CVD沉积后，籽晶表面缺陷可被修复，获得的金刚石单晶颗粒呈现立方八面体高品级形态。
[0040]最后，将CVD沉积后的硅基衬底从CVD反应室中取出，并使其浸泡在体积比为1:1的硝酸与氢氟酸的混合液中进行超声清洗10~15min，再利用高速离心机，可以设置高速离心机的转速为10000r/min，时长为5min，进行颗粒沉降混合酸分离试验，待分离成功后，将上层混合酸溶液缓慢吸出，并向剩余的颗粒悬浊液中注入蒸馏水，辅助以超声振动进行清洗，此离心-水洗工艺反复操作约7~8次后，可得到呈中性的颗粒悬浊液。在无尘环境下，将得到的中性的颗粒悬浊液倒入蒸馏瓶中，加热去除水溶液，即可得到自支撑超细金刚石单晶微粉。
[0041]采用上述方法可获得平均尺寸为4.0ym超细金刚石单晶微粉，其中80.5%颗粒呈现出立方-八面体的高品级聚形晶态，其表面光滑，无明显生长缺陷，且颗粒的金刚石纯度极高，与机械破碎或爆轰法制备的超细微粉相比，在晶形及表面质量上占有绝对优势，具有非常优良的抗冲击性能，有利于提高抛光精度及效率，将尤为适合高精密器件的抛光加工。
[0042]实施例3
[0043]首先，将通过机械破碎法获得的Μ2/4粒度的金刚石微粉混入光刻胶溶液中，金刚石微粉与光刻胶溶液的配比浓度为7mg/mL，并快速搅拌令其充分混合，再将混合好的籽晶光刻胶溶液超声振动30min以上，以避免这些超细微粉发生团聚。然后利用甩胶台将混合好的籽晶光刻胶溶液溶液，在高速离心的作用下均匀的散布在硅基衬底表面(衬底为镜面抛光的单晶娃片)，甩胶台的转速设定在4000rpm,时长为45s。接着对甩胶后的娃基衬底进行烘干处理。
[0044]接下来，将经过播种籽晶的硅基衬底放入热丝CVD装置的反应室中进行沉积，热丝采用直径为Φ0.8mm双绞线钽丝，将热丝平行排布于硅基衬底之上，并利用耐高温弹簧使热丝在沉积过程中始终保持挺直水平状态。待反应室抽真空后通入反应气体(氢气和丙酮)，调整反应室的压力后开始对经过播种籽晶的硅基衬底进行沉积，沉积工艺过程中的各参数为:反应气体压力为4.5kPa、碳源浓度为1.3%、热丝温度约为1920°C、衬底表面温度约为850°C、偏压电流强度1.0A、沉积时间5h。经过CVD沉积后，籽晶表面缺陷可被修复，获得的金刚石单晶颗粒呈现立方八面体高品级形态。
[0045]最后，将CVD沉积后的硅基衬底从CVD反应室中取出，并使其浸泡在体积比为1:1的硝酸与氢氟酸的混合液中进行超声清洗10~15min，再利用高速离心机，可以设置高速离心机的转速为10000r/min，时长为5min，进行颗粒沉降混合酸分离试验，待分离成功后，将上层混合酸溶液缓慢吸出，并向剩余的颗粒悬浊液中注入蒸馏水，辅助以超声振动进行清洗，此离心-水洗工艺反复操作约7~8次后，可得到呈中性的颗粒悬浊液。在无尘环境下，将得到的中性的颗粒悬浊液倒入蒸馏瓶中，加热去除水溶液，即可得到自支撑超细金刚石单晶微粉。
[0046]采用上述方法可获得平均尺寸为6.4 μ m超细金刚石单晶微粉，其中78.4%颗粒呈现出立方-八面体的高品级聚形晶态，其表面光滑，无明显生长缺陷，且颗粒的金刚石纯度极高，与机械破碎或爆轰法制备的超细微粉相比，在晶形及表面质量上占有绝对优势，具有非常优良的抗冲击性能，有利于提高抛光精度及效率，将尤为适合高精密器件的抛光加工。
[0047]实施例4
[0048]首先，将通过机械破碎法获得的M3/6粒度的金刚石微粉混入光刻胶溶液中，金刚石微粉与光刻胶溶液的配比浓度为8mg/mL，并快速搅拌令其充分混合，再将混合好的籽晶光刻胶溶液超声振动30min以上，以避免这些超细微粉发生团聚。然后利用甩胶台将混合好的籽晶光刻胶溶液溶液，在高速离心的作用下均匀的散布在硅基衬底表面(衬底为镜面抛光的单晶娃片)，甩胶台的转速设定在4000rpm,时长为45s。接着对甩胶后的娃基衬底进行烘干处理。
[0049]接下来，将经过播种籽晶的硅基衬底放入热丝CVD装置的反应室中进行沉积，热丝采用直径为Φ0.8mm双绞线钽丝，将热丝平行排布于硅基衬底之上，并利用耐高温弹簧使热丝在沉积过程中始终保持挺直水平状态。待反应室抽真空后通入反应气体(氢气和丙酮)，调整反应室的压力后开始对经过播种籽晶的硅基衬底进行沉积，沉积工艺过程中的各参数为:反应气体压力为4.5kPa、碳源浓度为1.3%、热丝温度约为1950°C、衬底表面温度约为850°C、偏压电流强度1.0A、沉积时间6.5h。经过CVD沉积后，籽晶表面缺陷可被修复，获得的金刚石单晶颗粒呈现立方八面体高品级形态。
[0050]最后，将CVD沉积后的硅基衬底从CVD反应室中取出，并使其浸泡在体积比为1:1的硝酸与氢氟酸的混合液中进行超声清洗10~15min，再利用高速离心机，可以设置高速离心机的转速为10000r/min，时长为5min，进行颗粒沉降混合酸分离试验，待分离成功后，将上层混合酸溶液缓慢吸出，并向剩余的颗粒悬浊液中注入蒸馏水，辅助以超声振动进行清洗，此离心-水洗工艺反复操作约7~8次后，可得到呈中性的颗粒悬浊液。在无尘环境下，将得到的中性的颗粒悬浊液倒入蒸馏瓶中，加热去除水溶液，即可得到自支撑超细金刚石单晶微粉。
[0051]图3为依据本发明实施例4获得的超细金刚石单晶微粉的表面形貌图。如图3所示，采用上述方法可获得平均尺寸为7.Sym超细金刚石单晶微粉，其中76.5%颗粒呈现出立方-八面体的高品级聚形晶态，其表面光滑，无明显生长缺陷，且颗粒的金刚石纯度极高，与机械破碎或爆轰法制备的超细微粉相比，在晶形及表面质量上占有绝对优势，具有非常优良的抗冲击性能，有利于提高抛光精度及效率，将尤为适合高精密器件的抛光加工。
[0052]实施例5
[0053]首先，将通过机械破碎法获得的Μ6/12粒度的金刚石微粉混入光刻胶溶液中，金刚石微粉与光刻胶溶液的配比浓度为llmg/mL，并快速搅拌令其充分混合，再将混合好的籽晶光刻胶溶液超声振动30min以上，以避免这些超细微粉发生团聚。然后利用甩胶台将混合好的籽晶光刻胶溶液溶液，在高速离心的作用下均匀的散布在硅基衬底表面(衬底为镜面抛光的单晶娃片)，甩胶台的转速设定在4000rpm,时长为40s。接着对甩胶后的娃基衬底进行烘干处理。
[0054]接下来，将经过播种籽晶的硅基衬底放入热丝CVD装置的反应室中进行沉积，热丝采用直径为Φ0.8mm双绞线钽丝，将热丝平行排布于硅基衬底之上，并利用耐高温弹簧使热丝在沉积过程中始终保持挺直水平状态。待反应室抽真空后通入反应气体(氢气和丙酮)，调整反应室的压力后开始对经过播种籽晶的硅基衬底进行沉积，沉积工艺过程中的各参数为:反应气体压力为4.5kPa、碳源浓度为1.4%、热丝温度约为1950°C、衬底表面温度约为900°C、偏压电流强度1.0A、沉积时间10h。经过CVD沉积后，籽晶表面缺陷可被修复，获得的金刚石单晶颗粒呈现立方八面体高品级形态。
[0055] 最后，将CVD沉积后的硅基衬底从CVD反应室中取出，并使其浸泡在体积比为1:1的硝酸与氢氟酸的混合液中进行超声清洗10~15min，再利用高速离心机，可以设置高速离心机的转速为10000r/min，时长为5min，进行颗粒沉降混合酸分离试验，待分离成功后，将上层混合酸溶液缓慢吸出，并向剩余的颗粒悬浊液中注入蒸馏水，辅助以超声振动进行清洗，此离心-水洗工艺反复操作约7~8次后，可得到呈中性的颗粒悬浊液。在无尘环境下，将得到的中性的颗粒悬浊液倒入蒸馏瓶中，加热去除水溶液，即可得到自支撑超细金刚石单晶微粉。
[0056]采用上述方法可获得平均尺寸为13.3μπι超细金刚石单晶微粉，其中70.4%颗粒呈现出立方-八面体的高品级聚形晶态，其表面光滑，无明显生长缺陷，且颗粒的金刚石纯度极高，与机械破碎或爆轰法制备的超细微粉相比，在晶形及表面质量上占有绝对优势，具有非常优良的抗冲击性能，有利于提高抛光精度及效率，将尤为适合高精密器件的抛光加工。
[0057]与现有技术比较，本发明具有的实质性特点和显著进步为:
[0058]本发明的超细金刚石微粉中70~80%以上的颗粒都具有六-八面体高品级聚形晶体形态，且颗粒表面光洁，无明显生长缺陷，颗粒具有极高的抗冲击性能，与传统的机械粉碎或爆轰法超细微粉相比，化学气相沉积(CVD)超细金刚石单晶微粉在今后的抛光应用中会更具潜力，有利于提高抛光精度及效率，将尤为适合高精密器件的抛光加工。
[0059]以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。
【权利要求】
1.一种超细金刚石单晶微粉的制备方法，其特征在于，包括以下步骤: (SlO):以机械破碎法得到的金刚石微粉作为籽晶，采用光刻胶超声振动均匀分散金刚石晶种工艺，将所述籽晶均散在硅基衬底表面，所述金刚石微粉的粒度为M0/1~M6/12 ； (S20):采用热丝化学气相沉积法对所述步骤(SlO)中经过播种籽晶的所述硅基衬底进行沉积，获得金刚石单晶颗粒； (S30):采用化学腐蚀硅基衬底结合高速离心沉降颗粒工艺处理所述步骤(S20)中获得的所述金刚石单晶颗粒，以获得超细单晶金刚石微粉。
2.如权利要求1所述的超细金刚石单晶微粉的制备方法，其特征在于，所述步骤(SlO)中的所述光刻胶超声振动均匀分散金刚石晶种工艺包括:晶种光刻胶混合工艺以及离心甩胶工艺。
3.如权利要求2所述的超细金刚石单晶微粉的制备方法，其特征在于，所述晶种光刻胶混合工艺是指:将所述机械破碎法得到的金刚石微粉作为籽晶混入光刻胶溶液中，并快速搅拌令其充分混合，再将混合好的籽晶光刻胶溶液超声振动30min以上。
4.如权利要求3所述的超细金刚石单晶微粉的制备方法，其特征在于，所述机械破碎法得到的金刚石微粉与所述光刻胶溶液的混合比例在3~llmg/mL之间。
5.如权利要求3所述的超细金刚石单晶微粉的制备方法，其特征在于，所述离心甩胶工艺是指:利用甩胶台将所述晶种光刻胶混合工艺中混合好的所述籽晶光刻胶溶液，在高速离心的作用下均匀散布在所述娃基衬底表面，所述甩胶台的转速设定在4000rpm,时长为30~60s，然后对甩胶后的所述硅基衬底表面进行烘干处理。
6.如权利要求1所述的超细金刚石单晶微粉的制备方法，其特征在于，所述步骤(S20)中，对所述硅基衬底沉积的工艺参数为:4500Pa反应压力、800~900°C衬底温度、1.3~1.4%碳源浓度、IA偏流强度、沉积时间I~10h。
7.如权利要求1所述的超细金刚石单晶微粉的制备方法，其特征在于，所述步骤(S30)中，所述化学腐蚀硅基衬底结合高速离心沉降颗粒工艺包括:基体去除工艺、混合酸溶液去除工艺、以及颗粒蒸馏工艺。
8.如权利要求7所述的超细金刚石单晶微粉的制备方法，其特征在于，所述基体去除工艺是指:将沉积后的所述硅基衬底浸泡在体积比为1:1的硝酸与氢氟酸的混合酸溶液中超声清洗10~15min,以去除所述娃基衬底。
9.如权利要求8所述的超细金刚石单晶微粉的制备方法，其特征在于，所述混合酸溶液去除工艺是指:利用高速离心机对浸泡有所述硅基衬底的混合酸溶液进行颗粒沉降，设置所述高速离心机转速为10000r/min,时长为5min ;待所述颗粒与所述混合酸溶液分离后，将上层所述混合酸溶液缓慢吸出，并向剩余的颗粒悬浊液中注入蒸馏水，辅助以超声振动进行清洗以得到呈中性的颗粒悬浊液。
10.如权利要求9所述的超细金刚石单晶微粉的制备方法，其特征在于，所述的颗粒蒸馏工艺是指在无尘环境下，将所述中性的颗粒悬浊液倒入蒸馏瓶中，加热去除水溶液，即得到自支撑超细金刚石单晶微粉。
【文档编号】C30B25/00GK104164703SQ201410390630
【公开日】2014年11月26日 申请日期:2014年8月8日 优先权日:2014年8月8日
【发明者】孙方宏, 张韬, 张文骅, 沈彬, 郭睿, 张志明, 郭松寿 申请人:上海交通大学, 上海交友钻石涂层有限公司, 苏州交钻纳米超硬薄膜有限公司