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雷亚民 王亨瑞 玄真武
北京天地东方超硬材料股份有限公司

　　【摘要】CVD金刚石具有诸多优异性能和特点，在广泛的应用前景。而加工技术是伴随沉积技术的发展而发展起来的。金刚石膜加工技术主要包括切割、成型，研磨抛光和钎焊技术。本文介绍了近年来CVD金刚石加工技术的主要进展，以及有关应用。

　　1 激光加工技术

　　激光加工技术是通过激光束对金刚石进行切割、雕刻、打孑L、平面化等，以改变其几何尺寸为主要目的。工作原理如下：

　　激光束经过透镜组聚焦于金刚石表面附近，功率密度可以达到108W／cm ，经金刚石吸收而产生高温。高温下金刚石直接转变为石墨蒸发并且发生溅射，或者氧化。通常使用的是脉冲激光，移动金刚石片，则很多小孔连接而将金刚石切割。

　　切割时激光束质量对加工质量和精度有较大影响。

　　1．1 切割技术

　　激光切割主要是指激光束对CVD金刚石进行二维加工的方式。通常激光由YAG激光器产生，波长为1．06)xm。当然也有用波长更短的激光进行加工，如准分子激光器等⋯ J。激光切割的质量主要由切割深度，切割宽度，切割面坡度，切割速度和切割的光滑程度度来表征。激光切割机装置原理如下图所示：

图1 激光切割机工作原理

　　激光光束的质量，脉冲频率以及平均功率等对切割质量有较大影响。通常激光切割机的输出功率为30—100W，脉冲重复频率为3O一100Hz，(也有采取调Q方式提高频率达到几千Hz)，脉冲宽度为100~s。对于不同应用，采用相应的参数。例如降低烧蚀程度，可采用更小的脉冲宽度，提高切割面光滑度，可提高脉冲频率等。

　　1．2 国内外技术进展

　　1．2．1 国内自1997年开发出YAG金刚石切割机。进过十多年的改良和完善，现在已经能够用于生产。生产超硬材料切割设备的主要厂家有三和佳明，希波尔等。产品针对PCD、PCBN和CVDD等材料而设计，切割质量比过去5年有了较大进步，主要体现在激光光束质量，重复频率，工作稳定性等方面的提高。图2为国产激光切
割机。其中三和佳明的HQ103激光切割机主要技术指标如下(W~arW．bjshjm．COB．cn)：

　　1)激光器输出功率25～50W ；

　　2)重复频率8O一100Hz；

　　3)激光脉冲宽度～100~xs；

　　4)光束质量m ：2～3(～TEM00)；

　　5)切缝60 ～ 8O m，切缝光滑，切缝锥度小；

　　6)切割重复精度达到0．05mm。

　　1．2．2 国外在激光加工技术方面具有较大优势。2009年比利时Bettonville公司发布了最新一款激光加工设备UhraShape II(用于工业金刚石切割)IS]，2004年UhraShape 5x(工业金刚石切割)。其中UhraShape II的主要特点如下：

　　UhraShape II Laser System

　　激光光源：高功率，波长为1064nm 或532nm，采用惰性气体灯或激光二极管泵浦(根据需要)。

　　X—Y—z高精度磁性工作台

　　可进行3D加工，如棱锥体，对顶砧等(须用机器人手臂系统)。加工侧壁垂直于基面，无激光束发散性影响。

　　切割面光滑

　　切割精度高，可为后续加工提供201xm余量。

　　图3为激光切割系统外观。图4为切割完成的样品^【3】

 图3 UhraShape II激光切割系统

　　1．3 加工技术的改进可提高产品性能，扩大应用领域

　　1．3．1 以往的金刚石车刀正刀面为抛光的平面，在切削硬度较小的金属材料时会产生很长的螺旋形切屑，直接影响了正常切削过程。BECKER公司[Ⅵ ．beckerdiamant．de]研制了新的超硬材料刀具，在正刀面加工出断削槽，使得切削工作更加顺利。图5为带有断屑槽的切削刀具。刀头表面的立体图案是用激光3D加工技术制备的。

图4 切割的样品。图中为切割完成的金刚石

图5 带有断屑槽的PCD和CVD金刚石刀具、

　　1．3．2 精密激光加工

　　采用更高频率的激光，可以进行微米级加工。牛津激光有限公司和牛津大学Clarendon实验室的研究人员采用铜蒸汽激光器(波长511—578nm，脉冲宽度20ns，脉冲频率10 kHz，功率密度60 Gw／cm² ) ^【4】。

　　2 抛光技术

　　经过多年的发展，国内外开展了多种抛光技术。除了采用机械抛光方式，还有机械一化学法，热化学抛光、激光抛光法、等离子体法等 。对于不同的应用，所采用的方法也不同，目前最常用的仍然是机械方法。

图6 激光微加工的SEM 照片。若采用精密X—Y—Z平台，还可进行3D加工

　　2．1 机械抛光技术

　　机械抛光技术包括两种，一种采用固着磨料方式，既金刚石砂轮高速抛光方法。另一种磨料为游离于抛光盘，抛光盘的转速低。^【6.7】

　　国内实用化的抛光技术为机械高速抛光法。其装置原理图如下：

图7 机械式高速抛光装置原理图

　　由于砂轮转速为1000—2000转／分，在工作中摩擦产生的热量使得样品和砂轮温度升高，因此砂轮冷却是必要的。

　　另一种方法是采用经典的低速抛光技术。金刚石磨料可游离于抛光盘。该技术抛光盘的转速较低，抛光速度较慢。但有点在于能够大面积抛光，并且振动小，对样品的破坏性也小。

　　Logictech公司开发了一款大面积金刚石膜抛光装置(实验室用)。就是采用低速抛光方法，如图8所示。

　　主要技术指标如下：

　　最终厚度：<200~m

　　平面度：4 m一100mm范围内

　　平衡度：2—3 m

　　粗糙度(Ra)：Sub 20nm

　　加工时间：8小时lOOnm (打磨)

　　(approximate)24小时20nm (抛光)

　　2．2 热化学抛光

　　所谓热化学方式就是在氢气或保护性气氛下，将金刚石与加热的铁盘进行接触并有相对运动，使得金刚石中的碳原子扩散到铁盘内，达到去除金刚石的目的。这种方法的抛光效率高于机械式抛光，因此国内外研究人员研究的较多。但由于要长时间处在高温下，对金刚石的性能有一定的影响。目前未见到实用化报道。

　　另外，还有激光抛光，机械一化学，等离子体，超声波等技术，在此不一一列举。

　　3 焊接技术

　　CVD金刚石与其他材料焊接通常采用银铜钛焊料 。一般是在高真空条件下将焊料和基体加热到焊料的熔点以上。焊料成分通常为银铜钛合金，也有采用含有镍、铬等元素。另一种方式是采用银铜焊片+钛箔。焊接效果相差不多，一般剪切强度在20MPa左右，已经能够满足实际需要。但前者对生产来说更加方便实用。

　　4 总结

　　总体来看，国内外CVD金刚石加工技术都在不断取得进步，尤其是激光加工技术取得的进步推进了CVD金刚石应用。但是在抛光和焊接方面，似乎进展不大，至少在最近的文献搜索中未见到。

　　加工技术的进步对促进CVD金刚石的应用是显而易见的，但是需要各专业技术的结合。在此希望国内有关技术研究单位能够通过各种形式的技术合作，加快我国在加工方面的技术水平。

　　参考文献

　　[1]Nadeem H．Rizvi，RIKEN Review，No．50，Jan．2003，107

　　[2]林嘉文，“准分子镭射运用于多晶钻石膜平坦化之理论建立及实验验证”，成功大学硕士论文，2004年7月

　　[3]Report by K．Jedraszak，INDUSTRIAL DIAMOND REVIEW 1／09，p18

　　[4] www．oxfordlasers．con

　　[5]A．P．Malshe水，B．S．Park，W．D．Brown，H．A．Naseem．Diamond and Related Materials 8(1999)1198—1213

　　[6]袁慧，陈春林，王成勇．机械法抛光加工金刚石膜研究，超硬材料工程，2007，19(1)：5—9

　　[7]郭世斌，曲杨，吕反修等，功能材料，2007，38(7)：1173一l175

　　[8]王华林，“CVD金刚石厚膜焊接特性研究”，吉林大学硕士学位论文，2006