人造单晶金刚石激光微孔加工技术研究

人造单晶金刚石传统的激光打孔方法采用"轮廓法".该方法的缺点是越靠近孔的中心剥去的材料越多,精确的孔型难以得到.本文在理论和实践的基础上,提出了一种新的激光数控打孔自适应模型.在模具的压缩区,通过控制工件的转速实现材料的均匀去除,并且使激光脉冲能量随着孔径的减小而递减,以提高孔型精度.结果表明,该模型可以有效提高微孔的加工精度,最小加工孔径达到3.5 μm.理论和实践证明,本文提出的激光打孔数控模型是人造单晶金刚石激光打孔的有效方法.     

钎焊牙科金刚石工具磨削加工氧化锆陶瓷的研究

采用钎焊法分别制备金刚石粒度尺寸为251μm和107μm的牙科金刚石工具,并对氧化锆陶瓷进行磨削加工实验。研究了加工过程中进给速度和主轴转速对磨削力的影响,并对不同粒度的钎焊金刚石工具进行对比。利用扫描电镜观察加工后氧化锆陶瓷表面质量和切屑形态。实验结果表明:法向磨削力和切向磨削力随着进给速度和主轴转速的增大而增大,粒度尺寸为107μm的钎焊金刚石工具产生的磨削力小于粒度尺寸为251μm的钎焊金刚石工具。随着进给速度的增大,加工后的氧化锆陶瓷表面脆性断裂区域有所增加,切屑尺寸增大。随着主轴转速的增大,加工后的氧化锆陶瓷表面存在显微塑性变形,切屑细化。     

一种新型的微精密磨削加工用导电金刚石工具

近几年微粉化和高精密化在电子和光学工业上成为了一种重要的加工技术，在高精密的微型加工中开始使用各种精细金刚石砂轮。但是在模压砂轮中，随着磨料越来越精细，砂轮中磨料的均匀分散和高结合强度越来越难以达到，这导致了在磨削加工中磨粒从砂轮表面过早的脱落。因磨粒过早脱落而造成被加工表面出现划痕。修整间隔时间越短（因为有效磨粒数的减少）被加工的工件形位精度更差。因此，选择更微细的磨料，使得整形和修整更加频繁，导致了砂轮寿命的缩短并降低了磨削效率。 用微粉金刚石砂轮加工产品的典型实例包括光纤连接器用V形槽和碳化钨模具上的V形槽。这些V形槽的槽底倒角半径要求尽量的小。然而，即使使用粒度为4000。的微粉金刚石砂轮，槽底半径也不小于几个微米。本文中，K．Suzuki和T．Uematsu教授对近年来有关导电金刚石磨削工具应用的一系列研究作了综述，特别介绍了CMX850金刚石磨料新产品，元素六公司用最近投入市场的精细聚晶金刚石（PCD）生产的砂轮对碳化钨工件上的V形槽进行了磨削加工，可获得槽底倒角半径为R=1．6μm的精细V形槽。     

金刚石工具激光焊接强度检测新方法及工具研究

激光焊接金刚石工具具有焊接强度高、速度快、干切条件下刀头不易脱落等独特优点。本文在研究了焊缝检测国际标准的基础上,根据材料力学原理,材料弹性形变与外力成线性关系,提出一种新的焊缝强度的测量理论,并研制出专用焊缝强度检测工具。结果表明,对0105～0600激光焊接锯片的检测结果符合质量标准,与国际MPA标准相比误差仅为5％,且操作简单。     

镜面加工用单晶金刚石刀具

微型高精密镜面模具对加工后的形状精度和表面粗糙度要求非常高,原有的“粗切削＋精磨＋研磨”的加工方法不仅要花费很长时间,而且微细形状不适合采用磨削加工,此外,研磨会使微细形状产生塌边等缺陷,使形状精度达不到要求。     

镜面加工用单晶金刚石刀具

微型高精密镜面模具对加工后的形状精度和表面粗糙度要求非常高,原有的“粗切削＋精磨＋研磨”的加工方法不仅要花费很长时间,而且微细形状不适合采用磨削加工,此外,研磨会使微细形状产生塌边等缺陷,使形状精度达不到要求。     

金刚石磨粒的优化排布：一种激光排布技术及对其磨削力和磨损特性的评价

传统的超硬磨料砂轮的制造方法导致磨粒固结在砂轮表面呈无规则随机排布。为了合理地解决这些问题,介绍了一种实现按需三维可控优化金刚石微排布的方法。尽管这种新颖的生产磨粒按需排布金刚石砂轮的观点只是处于初级的试验阶段,但是为发展一度为人所忽略的微细加工指明了方向。     

飞秒激光诱导纳米金刚石薄膜表面周期性结构的摩擦学性能研究

研究基于飞秒激光辐照方法在纳米金刚石(nano-crystalline diamond, NCD)薄膜表面制备的激光诱导周期性结构(laser-induced periodic surface structures, LIPSS)的摩擦学行为。在空气环境下采用脉冲宽度为200 fs,中心波长为1040 nm的掺镱光子晶体光纤飞秒激光辐照NCD薄膜表面产生LIPSS。基于不同的扫描间隔制备2种LIPSS表面,即连续分布的LIPSS表面(continuously distributed LIPSS, CDL)和均匀间隔的LIPSS带状表面(evenly spaced LIPSS stripes, ESLS)。通过球盘式摩擦磨损试验机进行往复式干摩擦试验来对上述2种LIPSS表面的摩擦学性能进行表征,其中的对磨球为ZrO₂陶瓷材质。往复式摩擦试验采用了平行和垂直于LIPSS纹理的2种摩擦方向。研究结果表明:施加LIPSS后的NCD薄膜表面容屑能力得到改善,同时摩擦接触面积降低,因而相比于原始NCD薄膜,其摩擦系数明显降低;对于CDL表面,摩擦方向与LIPSS纹理垂直时的摩擦系数比纹理平行时的更高;ESLS表面的LIPSS纹理方向对摩擦系数无影响。      

薄基材过滤片飞秒激光精密加工

利用飞秒激光非热熔性烧蚀的加工特性,以钛箔材质的过滤片零件为加工对象,研究了飞秒激光在钛箔材料微槽结构及外形加工方面的应用,并针对加工需求开发了易氧化薄基材的定位夹具和防氧化技术.试验中通过优化离焦量、加工速度和激光能量等参数,得到了过滤片边缘形貌和底部形貌受激光能量密度的影响规律,最终实现了过滤片零件的精密加工,为薄...     

飞秒激光刻蚀对纳米金刚石薄膜表面微观特性的影响

利用飞秒激光对纳米金刚石涂层进行刻蚀试验,通过改变激光的重复频率,输出功率以及焦点扫描速度,研究不同的激光加工参数对金刚石涂层烧蚀结果的影响。利用白光干涉仪器、SEM、拉曼光谱仪研究了飞秒激光刻蚀后涂层表面微观粗糙度、微观形貌以及碳相结构变化。采用面积推算法计算出扫描速度1 mm/s,有效脉冲数为90时的烧蚀阈值。结果表明：金刚石涂层表面飞秒激光诱导的条纹状结构周期（LIPSS）接近飞秒激光波长,改变飞秒激光重复频率对涂层表面形貌修饰影响不大;由于烧蚀饱和作用,飞秒激光功率增加至80 mW过程中涂层表面微观粗糙度持续减小随后维持在325 nm左右;激光扫描速度的增大可使LIPSS特征消失,当扫描速度增加至1.4 mm/s后,涂层表面微观粗糙度不再继续降低而是随着速度的增大而增大。激光诱导的金刚石涂层表面石墨化程度越高,涂层表面微观粗糙度则越低;当有效脉冲数为90时纳米金刚石薄膜的飞秒激光烧蚀阈值为0.138 J/cm²。     

紫外脉冲激光辐刻单晶金刚石的研究

目的对单晶金刚石进行紫外激光加工,分析紫外激光对金刚石的辐刻效果。方法在真空环境中,采用波长248 nm(KrF)、脉冲能量500~700 mJ、脉冲频率1~9 Hz、激光功率0.5~6.3 W的脉冲激光对单晶金刚石靶材进行了辐照,并采用光发射谱(OES)对辐照过程中产生的等离子体进行了诊断,采用扫描电镜(SEM)和拉曼谱(Raman)对辐照后的金刚石进行了表征与分析。结果激光辐照后的金刚石发生了凿刻现象,激光的辐刻速率受脉冲频率的影响显著,存在一个频率阈值,使辐刻速率不再随脉冲频率和能量发生明显变化。激光辐刻金刚石过程中产生的等离子体以C_3激元为主,其余为C_1和C_2激元。结论实验表明,激光在辐刻金刚石过程中产生等离子体,是造成激光脉冲频率和脉冲能量对辐刻速率具有阈值特性这一现象的主要原因。此外,紫外脉冲激光辐刻后的金刚石沟槽表面光洁,不存在明显裂纹。     

飞秒激光制备梯度润湿性单晶硅表面∗

针对化学气相沉积、自组装技术等表面制备方法存在化学污染、表面结合强度低等问题,运用飞秒激光在单晶硅表面加工正方形微凹坑阵列制备梯度润湿性表面,使用白光干涉仪、扫描电子显微镜、能谱仪和接触角测量仪分别测量单晶硅表面粗糙度、微观形貌、化学成分及接触角。 通过改变激光能量密度制备不同梯度润湿性表面,研究不同激光能量密度下液滴在梯度润湿性表面上的铺展规律。 结果表明:随激光能量密度增大,表面粗糙度参数算术平均高度、均方根斜率和界面扩展面积比整体呈增大趋势,表面接触角整体呈减小趋势。 由于激光能量密度增大导致的单晶硅表面平行微凹槽、重凝层及不规则微纳结构使均方根斜率、界面扩展面积比及表面接触角出现波动。 液滴在梯度润湿性表面定向铺展分为加速与减速两个阶段,减速阶段速度伴随明显波动现象,小体积液滴的铺展速度更快。 实现了飞秒激光高精度、非接触、过程可控的梯度润湿性表面制备,结果可为制备单晶硅微流控器件提供理论参考。     

晶面对单晶硅高功率绿光飞秒激光加工的影响

目的 研究不同晶面取向对飞秒激光刻蚀加工硅的影响.方法 采用515 nm绿光高功率飞秒激光器,通过改变激光平均功率和扫描次数,对硅(111)和(100)面进行刻蚀加工,对比研究两个晶面的凹槽刻蚀深度和凹槽底部粗糙度差异.利用电子背散射衍射(Electron Backscatter Diffraction,EBSD)技术,研究不同晶面在飞秒激光刻蚀加工中的微观行为特性,对比硅不同晶面的非晶化阈值和烧蚀阈值,同时对比不同晶面的非晶化能力和再结晶能力.结果 随着激光平均功率和扫描次数的增大,激光刻蚀形成的凹槽越来越深,相同条件下,硅(111)面的凹槽深度比(100)面的凹槽深度更大,且硅(111)面凹槽底部的粗糙度比(100)面凹槽底部的粗糙度更大.当凹槽刻蚀深度达到300μm时,(111)面的凹槽深度比(100)面约深20μm,粗糙度约高4μm.通过EBSD技术获得硅两个晶面的非晶化阈值,两个晶面的非晶化阈值近似,约为0.16 J/cm2.在相同的非晶化阈值下,(111)面的非晶程度比(100)面大.在较少的激光扫描次数下,观察到硅(111)面的激光吸收率比(100)面高.结论 晶面取向不仅影响到飞秒激光多脉冲作用下硅的微观结构,而且还影响到硅的宏观飞秒激光加工效果.加工参数相同时,(111)面单晶硅的刻蚀深度明显大于(100)面单晶硅,原因是硅(111)面的非晶化能力比(100)面强,导致(111)面吸收更多的激光能量,材料去除效率更高.     

MPCVD法合成大单晶金刚石的研究进展

单晶金刚石具有诸多多晶金刚石所无法替代的优良性能,是新世纪高端技术领域发展所需的重要材料。随着技术的不断改进,MPCVD法合成单晶金刚石的生长速率、质量和尺寸都有了很大的提高。目前,应用最新的MPCVD技术合成的单晶金刚石,其最高生长速率达到200μm/h,合成尺寸达到英寸级,为单晶金刚石在超精密加工、光学元器件、半导体、探测器等高技术领域的应用提供了有力的支撑。本文主要综述了进入二十一世纪以来,MPCVD单晶金刚石的研究进展,并对其应用作简单的介绍。     

激光焊接金刚石工具过渡层预合金粉末研究

过渡层材料对激光焊接金刚石工具的焊缝强度、外观、性能均有很大影响。为了保证激光焊接金刚石工具的使用性能,过渡层材料应当具有合理的配方组分和优良的烧结性能,本文在这方面进行了一些研究。着重介绍了德国Dr．Fritsch的Diabase—V系列、法国Eurotungstene的NEXT系列、比利时Umicore的Cobalite系列预合金粉末和BASF公司的羰基Fe粉和羰基Ni粉的技术参数,并分别对它们的烧结特性进行了分析。     

单晶金刚石外延层生长工艺研究

目的 研究高质量单晶金刚石外延生长工艺。方法 使用X射线白光形貌束分析了等离子体表面刻蚀处理前后单晶金刚石位错密度的变化,随后使用等离子体刻蚀预处理工艺,通过改变沉积温度研究了其对金刚石质量的影响。为了表征温度对单晶金刚石质量的影响程度,使用拉曼光谱和X射线衍射摇摆曲线等方法分析了单晶金刚石质量以及位错密度的变化情况,进而确定沉积高质量单晶金刚石最佳的沉积温度。结果 X射线白光形貌束结果显示,未进行氢氧等离子体表面刻蚀的籽晶生长之后,由于表面微加工、抛光引入的位错或者微裂纹,导致生长层位错增多;同时,氢氧等离子体表面刻蚀实验结果显示,刻蚀时间并非越长越好;使用刻蚀处理过的单晶金刚石籽晶进行不同温度外延生长实验,籽晶刻蚀后生长的金刚石拉曼峰位均在1332.5 cm?1附近,半高宽为2~3 cm?1之间。在900 ℃沉积之后,X射线摇摆曲线半高宽仅为0.009。结论 使用氢氧微波等离子体刻蚀单晶金刚石,800 ℃刻蚀40 min,可以基本消除因微加工或者抛光引入的位错或者缺陷。经过刻蚀处理的籽晶在900 ℃制备出的单晶金刚石质量最高,位错最少,可以满足高质量单晶金刚石的制备。     

金属粉末增强机械抛光单晶金刚石

目的 研究具有催化活性的镍、钴金属粉末对单晶金刚石机械抛光的影响,以期获得低成本高效率的单晶金刚石抛光工艺。方法 以高温高压法（HPHT）制备的Ⅱa型单晶金刚石为样品,采用机械抛光的方法沿单晶金刚石（100）晶面的[100]晶向进行抛光,抛光介质分别为金刚石研磨膏、金刚石微粉、金刚石微粉与镍粉混合粉末、金刚石微粉与钴粉混合粉末。样品表面粗糙度通过原子力显微镜（AFM）进行测定,通过扫描电镜（SEM）及能谱仪（EDS）对样品表面形貌及元素成分进行分析表征。结果 金刚石微粉作研磨粉时,抛光速率最高,达到900 μm/h,但表面粗糙度相对较差,为4.15 nm;镍粉或钴粉与金刚石微粉的混合粉末作抛光介质时,可以实现单晶金刚石的高效抛光,其中以钴粉与金刚石微粉的混合粉末作为抛光介质时的抛光效果最佳,抛光速率为875 μm/h时,表面粗糙度为1.52 nm。结论 镍、钴金属粉末与金刚石微粉混合作为抛光粉料,可以实现单晶金刚石的高效率、高质量抛光。     

MPCVD高功率外延生长单晶金刚石均匀性研究

目的 为了优化单晶金刚石大批量生长的等离子体环境,开展了高功率微波等离子体环境对单晶金刚石外延生长研究。方法 利用实验室自主研发的915 MHz-MPCVD装置,在15～37 kW的高功率微波馈入的条件下,研究了在高功率微波等离子体环境中CVD单晶金刚石的均匀生长条件,利用光学显微镜及激光拉曼光谱对所生长的单晶金刚石进行了形貌质量表征,利用等离子体发射光谱对高功率微波等离子体环境进行了诊断。结果 在保持甲烷体积分数为5%时,当微波功率为15k W时,等离子体球的尺寸较小,并不能完全覆盖直径150 mm的基片台;将微波功率从28 kW提高到37 kW,肉眼所见的等离子体尺寸变化并不明显,但等离子体的能量分布范围有一定的扩大,这意味着在一定的范围内活性基团的能量分布更均匀。在较高的微波功率下,分布于基片台不同区域的单晶金刚石片均能获得较好的层状生长台阶。随着微波功率的提高以及基片温度的增加,分布于基片台不同区域的微波电磁场强度都有所增强,提高了单晶金刚石的生长速率和质量。结论 在高功率等离子体环境中,通过大幅度的提高微波功率,可以有效地活化含碳基团,在等离子体中产生有利于单晶金刚石高质量高...     

磨削诱导单晶高温合金微观组织演化机制研究

目的 通过对零件磨削表面的微观组织进行表征,探讨高温和大应变条件下单晶高温合金晶体取向和位错的演化机制。方法 采用场发射扫描电子显微镜对磨削亚表面微观组织形貌进行观察,通过X射线衍射技术对磨削前后表面晶体取向进行分析。利用聚焦离子束定向切割技术制备了磨削表面透射电子扫描样品,采用透射电子显微镜和透射菊池衍射方法对表面白层以及塑性变形层晶体取向以及位错分布进行了表征。结果 磨削后单晶高温合金表面形成强烈塑性变形,原始单一取向发生改变,形成多晶衍射峰特征。磨削表面深度方向上形成具有不同晶粒尺寸和取向的梯度组织结构。选区衍射花样显示原始单晶材料的衍射斑点转变为多晶材料的衍射环。磨削表面由于强烈剪切变形和磨削热产生微纳尺度的动态再结晶现象,同时形成高密度位错结构。磨削表面产生强烈的剪切应变,使晶体向有利于剪切变形的方向旋转,形成了R-Cube织构和F剪切织构。结论 单晶高温合金磨削表面微观组织演化是基于微纳尺度的动态再结晶和位错滑移运动进行的。