专利名称：金刚石膜的固态稀土金属高速抛光方法
技术领域：
本发明属于超硬材料拋光技术，特别涉及一种金刚石膜的固态稀土金属高 速拋光方法。
技术背景金刚石膜是由化学气相沉积技术沉积的纯金刚石多晶膜，具有高的硬度、耐磨性、优良的电绝缘性、导热性、透光性和声学特性，被视为21世纪最有发 展前途的新材料，在众多高新技术领域和国防尖端技术领域展示了很好的应用 前景，如高功率激光二极管阵列及高功率电子器件封装用的高效热沉、强激光 窗口、红外热成像装置窗口、高功率微波窗口、 X射线窗口、及用于通讯系统 的金刚石膜声表面波器件等，这些金刚石膜器件既有平面形状，又有曲面形状。 由于金刚石膜本身是多晶膜，晶粒粗大，表面粗糙，而且由于沉积过程的不均 匀性，金刚石膜表面凹凸不平。因此其工业应用必须经过研磨抛光加工。由亍 金刚石膜硬度极高，传统的机械研磨抛光方法效率极低。目前国内外开发研究了 一些新的抛光方法，但都存在着许多问题和不足。如激光束扫描抛光效率 较高，但抛光表面质量较低，表面易残留石墨，难以对大面积金刚石膜进行精 密抛光，只能进行金刚石膜的粗加工，而且难以对曲面金刚石膜进行抛光；离 子束刻蚀抛光表面质量较高，但由于受离子束和离子腔尺寸的限制，抛光金刚 石膜的尺寸不能太大，而且效率太低，成本太高，不适宜工业化生产，也不适 应曲面金刚石膜的抛光；热铁板抛光方法抛光表面质量好、效率较高，但是热 铁板拋光采用大功率电阻丝加热拋光盘到800--900QC，抛光盘温度高、热变形 大，抛光必须在真空抛光反应室进行，而且需在真空抛光反应室设置高温热丝 活化氢气形成原子态氢，以清除扩散到抛光盘表面的碳，高温热丝的热辐射使 抛光盘产生的热变形更加不均匀，虽可用于曲面金刚石膜的抛光，但设备复杂， 抛光成本高；目前开发的稀土金属刻蚀抛光利用活性稀土金属(如La、 Ce等) 在液态能够大量溶解金刚石(碳)而对金刚石膜进行抛光，效率较高，但抛光 表面质量较低，液态稀土金属容易对金刚石膜边缘产生过蚀，抛光时必须在真 空抛光反应室进行，因此该技术多用于金刚石膜的粗加工和金刚石膜的快速减 薄，不适应曲面金刚石膜的抛光。发明内容本发明的目的是针对目前开发的液态稀土金属刻蚀抛光方法只能在真空抛 光反应室进行，液态稀土金属容易对金刚石膜边缘产生过蚀，且不适应曲面金 刚石膜的抛光等问题，提供一种不需在真空抛光反应室进行，结构简单、拋光 质量好、效率高、成本低，既可用于平面金刚石膜抛光，又可用于曲面金刚石 膜抛光的金刚石膜固态稀土金属高速拋光方法。采用的技术方案是金刚石膜的固态稀土金属高速拋光方法，抛光盘为固态稀土金属抛光盘(或 抛光研具)，由拋光盘(或抛光研具)与金刚石膜的相对运动而产生的摩擦热， 在金刚石膜和固态稀土金属抛光盘(或抛光研具)接触界面形成热化学反应环 境，从而溶蚀金刚石膜抛光表面凸点碳原子，'实现对金刚石膜的抛光目的。抛 光过程在一般大气环境下进行。具体包括以下三种方法。1) 抛光平板类金刚石膜，抛光时，圆盘形固态稀土金属抛光盘在驱动电机 带动下，以3000r/min—50000r/min的高转速转动，金刚石膜由夹具固定，并由 另一驱动电机驱动以10r/min—100r/min的转速反方向转动。由拋光盘与金刚石 膜的相对运动而产生的摩擦热，在金刚石膜和固态稀土金属抛光盘接触界面形 成热化学反应环境，从而溶蚀金刚石膜抛光表面凸点碳原子，实现对平板类金 刚石膜的抛光目的。2) 包络法抛光任意曲面金刚石膜，抛光以球头固态稀土金属抛光棒为工具， 固态稀土金属抛光棒装夹在高速数控机床主轴头上，由高速数控机床主轴带动， 以10000r/min—60000r/min的高转速转动。金刚石膜由夹具固定，安装在数控机 床工作台上，由数控机床的坐标运动实现抛光棒相对金刚石膜在X、 Y、 Z方向 的三坐标联动。抛光过程中，由拋光棒与金刚石膜的高速相对运动产生的摩擦 热，在金刚石膜和球头固态稀土金属抛光棒接触界面形成热化学反应环境，实 现固态稀土金属抛光棒对金刚石膜抛光表面凸点碳原子的溶蚀，由球头固态稀 土金属抛光棒相对金刚石膜的三坐标联动，实现对任意曲面金刚石膜的抛光百 的。3) 成型法抛光回转曲面金刚石膜。抛光工具为固态稀土金属成型抛光头， 抛光头抛光面与回转曲面金刚石膜被抛光面相吻合，可实现金刚石膜内表面、 外表面抛光，或内外表面同时抛光。固态稀土金属成型抛光头在驱动屯机带动 下，以3000r/min—30000r/min的高转速转动，由拋光头与金刚石膜的相对运动 而产生摩擦热，同时为改善曲面中心区域由于线速度低，摩擦热不大，抛光曲面温度不均匀问题，在金刚石膜夹具内部设置辅助加热装置。在摩擦热和辅助 加热的共同作用下，在金刚石膜和固态稀土金属成型抛光头接触界面形成热化 学反应环境，固态稀土金属成型抛光头对金刚石膜抛光表面凸点碳原子产生溶 蚀作用，从而实现对曲面金刚石膜外表面的抛光。 本发明的抛光原理是以固态稀土金属制成平面抛光盘或回转曲面抛光研具，抛光盘(或抛光研 具)以高抛光转速转动，由拋光盘与金刚石膜的相对运动产生的摩擦热，在金 刚石膜和固态稀土金属抛光盘(或抛光研具)接触界面形成热化学反应环境， 从而溶蚀金刚石膜抛光表面凸点碳原子，实现对金刚石膜的抛光目的。本发明具有抛光效率高，拋光质量好、成本低等优点，而且由于抛光过程 中热化学反应环境仅在金刚石膜和抛光盘接触表面间形成，抛光盘整体温度低， 热变形小，抛光盘不会对金刚石膜边缘产生过蚀，既可用于平面金刚石膜抛光， 又可用于曲面金刚石膜抛光，抛光过程不需要在真空抛光反应室进行，设备简 单，工作可靠。
图1是本发明金刚石膜固态稀土金属拋光方法示意图。图2是本发明金刚石膜固态稀土金属包络法抛光示意图。 图3是本发明金刚石膜固态稀土金属成型法抛光示意图。 1—固态稀土金属抛光盘；2、 7—金刚石膜夹具；3—金刚石膜；4一球头固 态稀土金属抛光棒；5—固态稀土金属成型抛光头；6—辅助加热装置。
具体实施方式
如图l所示，结合实例进-一步说明本发明的工作过程。图1 (a)为抛光平板类金刚石膜的工作示意图，固态稀土金属抛光盘1由 电主轴直接驱动，电主轴安装在床身上。固态稀土金属抛光盘1以10000r/min 的高转速转动，金刚石膜3由夹具2固定，并由另--驱动电机驱动以50 r/min 的转速反方向转动，由拋光盘与金刚石膜的相对运动而产生的摩擦热，在金刚 石膜和固态稀土金属抛光盘接触界面形成热化学反应环境，从而溶蚀金刚石膜 抛光表面凸点碳原子，实现对金刚石膜的抛光目的。图(b)为包络法抛光任意曲面金刚石膜工作过程示意图，抛光以球头固态 稀土金属抛光棒4为工具，固态稀土金属抛光棒4装夹在高速数控机床主轴头 上，由高速数控机床主轴带动，以30000r/min的高转速转动。金刚石膜3由夹 具2固定，夹具2安装在数控机床工作台上，由数控机床的坐标运动实现抛光棒相对金刚石膜在X、 Y、 Z方向的三坐标联动。抛光过程中，由拋光棒与金刚 石膜的高速相对运动产生的摩擦热，在金刚石膜和球头固态稀土金属抛光棒接 触界面形成热化学反应环境，实现固态稀土金属抛光棒对金刚石膜抛光表面凸 点碳原子的溶蚀，由球头固态稀土金属抛光棒相对金刚石膜的三坐标联动，实 现对任意曲面金刚石膜的抛光目的。图(c)为成型法抛光回转曲面金刚石膜的工作过程示意图。抛光装置主要 由金刚石膜夹具、高速回转成型抛光头及辅助加热装置构成。在抛光曲面金刚 石膜外表面时，金刚石膜3由夹具7固定，固态稀土金属成型抛光头5在驱动 电机带动下，以8000r/min的高转速转动，由拋光头与金刚石膜的相对运动而产 生摩擦热，同时为改善曲面中心区域由于线速度低，摩擦热不大，抛光曲面温 度不均匀问题，在金刚石膜夹具7内部设置了辅助加热装置6。在摩擦热和辅助 加热的共同作用下，在金刚石膜和固态稀土金属成型抛光头接触界面形成热化 学反应环境，固态稀土金属成型抛光头对金刚石膜抛光表面凸点碳原子产生溶 蚀作用，从而实现对曲面金刚石膜外表面的抛光。若抛光曲面金刚石膜的内表 面，则需将图(c)中5换为夹具，7换为固态稀土金属成型抛光头。若将5、 7 均换为固态稀土金属成型抛光头，两个抛光头作转动方向相反的高速相对运动， 则可同时抛光曲面金刚石膜内外表面。不管是抛光曲面金刚石膜的内表面，还 是同时抛光曲面金刚石膜内外表面，都需设置辅助加热装置，以提高抛光曲面 中心区域的温度，在金刚石膜和固态稀土金属成型抛光头接触界面形成较为均 匀的热化学反应环境，保证抛光的均匀性。
权利要求
1、金刚石膜的固态稀土金属高速抛光方法，其特征是抛光盘为固态稀土金属抛光盘或抛光研具，由抛光盘或抛光研具与金刚石膜的相对运动而产生的摩擦热，在金刚石膜和固态稀土金属抛光盘或抛光研具接触界面形成热化学反应环境，从而溶蚀金刚石膜抛光表面凸点碳原子，实现对金刚石膜的抛光目的；抛光过程在一般大气环境下进行；具体包括以下三种方法1)抛光平板类金刚石膜，抛光时，圆盘形固态稀土金属抛光盘在驱动电机带动下，以3000r/min-50000r/min的高转速转动，金刚石膜由夹具固定，并由另一驱动电机驱动以10r/min-100r/min的转速反方向转动；由抛光盘与金刚石膜的相对运动而产生的摩擦热，在金刚石膜和固态稀土金属抛光盘接触界面形成热化学反应环境，从而溶蚀金刚石膜抛光表面凸点碳原子，实现对平板类金刚石膜的抛光目的；2)包络法抛光任意曲面金刚石膜，抛光以球头固态稀土金属抛光棒为工具，固态稀土金属抛光棒装夹在高速数控机床主轴头上，由高速数控机床主轴带动，以10000r/min-60000r/min的高转速转动；金刚石膜由夹具固定，安装在数控机床工作台上，由数控机床的坐标运动实现抛光棒相对金刚石膜在X、Y、Z方向的三坐标联动；抛光过程中，由抛光棒与金刚石膜的高速相对运动产生的摩擦热，在金刚石膜和球头固态稀土金属抛光棒接触界面形成热化学反应环境，实现固态稀土金属抛光棒对金刚石膜抛光表面凸点碳原子的溶蚀，由球头固态稀土金属抛光棒相对金刚石膜的三坐标联动，实现对任意曲面金刚石膜的抛光目的；3)成型法抛光回转曲面金刚石膜；抛光工具为固态稀土金属成型抛光头，抛光头抛光面与回转曲面金刚石膜被抛光面相吻合，可实现金刚石膜内表面、外表面抛光，或内外表面同时抛光；固态稀土金属成型抛光头在驱动电机带动下，以3000r/min-30000r/min的高转速转动，由抛光头与金刚石膜的相对运动而产生摩擦热，同时为改善曲面中心区域由于线速度低，摩擦热不大，抛光曲面温度不均匀问题，在金刚石膜夹具内部设置辅助加热装置；在摩擦热和辅助加热的共同作用下，在金刚石膜和固态稀土金属成型抛光头接触界面形成热化学反应环境，固态稀土金属成型抛光头对金刚石膜抛光表面凸点碳原子产生溶蚀作用，从而实现对曲面金刚石膜外表面的抛光。
全文摘要
金刚石膜的固态稀土金属高速抛光方法，抛光工具为固态稀土金属抛光盘(或抛光研具)，由抛光盘(或抛光研具)与金刚石膜的相对运动而产生的摩擦热，在金刚石膜和固态稀土金属抛光盘接触界面形成热化学反应环境，从而溶蚀金刚石膜抛光表面凸点碳原子，实现对金刚石膜的抛光目的。抛光过程在一般大气环境下进行。可实现平面金刚石膜和任意曲面金刚石膜的抛光，其中曲面金刚石膜的抛光可采用包络法和成型法两种方法，包络法采用球头固态稀土金属抛光棒为抛光工具，成型法采用固态稀土金属成型抛光头为抛光工具。提供了一种不需在真空抛光反应室进行，结构简单、抛光质量好、效率高、成本低，既可用于平面金刚石膜抛光，又可用于曲面金刚石膜抛光的抛光方法。
文档编号B24B1/00GK101224551SQ20081001028
公开日2008年7月23日 申请日期2008年1月30日 优先权日2008年1月30日
发明者丽 周, 焦可如, 许立福, 黄树涛 申请人:沈阳理工大学