大面积自支撑金刚石—金属复合膜的电铸研究及其应用

论文摘要

本文研究了电铸工艺制备的金刚石-金属复合膜的微结构及其内应力，探讨了电镀工艺参数对复合膜品质的影响；研制出了金刚石颗粒分布均匀、厚度均匀、内应力小的超薄大面积自支撑金刚石-镍复合膜；探讨了复合膜的后续加工工艺，研制出了超薄金刚石-金属复合膜切割片，并对其切割性能进行了初步试用研究。通过对大面积自支撑金刚石-金属复合膜的电铸过程基本问题研究，得出了如下一些有意义的研究结果：（1） XRD和XPS测试结果显示，电铸金刚石-镍复合膜由金刚石和镍相组成，金刚石颗粒与金属镍之间未见有化学键合，主要系机械包裹作用。（2）阴极电流密度对复合膜中金刚石颗粒含量、表面形貌、显微应变、膜的沉积速率影响很大。随着电流密度的增加，复合膜的沉积速率增大；复合膜中金刚石颗粒含量先快速增加，在1.3—2.5A／dm2达到峰值，之后再增加阴极电流密度，金刚石颗粒含量反而下降。而且，在我们的实验条件下，随着阴极电流密度的增加，复合膜的显微应变下降。所以，控制电流密度是沉积高品质复合膜的关键。（3）复合膜中金刚石颗粒含量随着电镀液中金刚石浓度的增大而增大，但当金刚石浓度大于18g／L时，随着金刚石浓度的增大，复合膜中金刚石颗粒含量增加缓慢，并且有接近饱和的趋势。（4）在阴极电流密度和镀液中金刚石颗粒含量相同的条件下，搅拌速度和搅拌桨位置对沉积复合膜中的金刚石密度和颗粒分布的均匀性产生很大影响。最佳搅拌速度为180rpm-220rpm，最佳搅拌桨位置为镀液下部。（5）阴极悬挂倾角对复合膜中金刚石颗粒含量影响很大，倾角为45度时金刚石颗粒含量最高而且分布均匀。阴极悬挂方位对沉积复合膜的厚度均匀性影响很大，电镀过程中阴极沿其自身平面间歇旋转90度后继续电镀，可以得到厚度均匀的复合膜。（6）从流体动力学出发，分析了电镀液两相流体中流场分布，解释了搅拌速度、搅拌桨位置以及阴极悬挂倾角对复合膜中金刚石颗粒含量的影响。采用欧拉-拉格朗日模型，根据Zwietering公式计算得出本文电镀搅拌槽的离底悬浮临界速度值为210r／min，与实验所得最佳搅拌速度范围符合很好。（7）在20—70℃温度范围内，研究了温度对复合膜中金刚石磨粒含量、镍晶粒尺寸、显微应变、膜沉积速率、镍晶粒择优生长取向的影响。随着温度的升高，金刚石含量增加，50℃时达到最大含量，随后，金刚石含量随着温度的升高而减小；随着温度的升高，显微应变减小，50℃时显微应变最小，随后，随着温度的升高，显微应变升高；随着温度的升高，沉积速率表现为下降趋势；镍晶粒尺寸也有下降趋势。此外，沉积温度明显影响晶面择优生长，尤其是在较低的沉积温度。所以，为了制备出高精度的金刚石—镍超薄切割片，电铸温度应该在40—50℃范围内。（8）用人工神经网络BP学习算法预测电镀工艺参数对沉积结果的影响，预测出的复合膜中金刚石颗粒含量、复合膜的厚度和表面微观形貌与实际实验结果接近，训练精度较高。为解决电铸自支撑金刚石-镍复合膜沉积工艺参数优化问题提供了有效手段。对于大面积自支撑金刚石-镍复合膜的应用研究表明：（1）复合膜中金刚石颗粒含量、厚度均匀性、平整度（变形情况）、刀口形貌是决定切割片使用性能的主要因素。复合膜的厚度均匀性是影响工件切割缝宽度的主要原因。（2）研制出的超薄金刚石-镍复合膜切割片（51×0.025×40mm）能满足划片工艺要求。对于硅芯片的切割划片实验结果为：机床主轴转速30000rpm，走刀速度5mm／s，切割深度0.35mm，切缝宽度0.048-0.053mm。（3）电火花加工可以有效除去电镀脱膜后复合膜的毛边和毛刺，是一种行之有效的后续加工方法。本论文的创新点：（1）用X射线衍射法定量分析了电铸自支撑金刚石-镍复合膜中的微观应力，给出了阴极电流密度和温度对微观应力的影响，为制备高质量电铸金刚石-镍复合膜提供了依据。（2）从固液两相流理论出发，利用流体动力学，研究电镀液中的流场分布规律及金刚石微粒在流场中的运动规律，选择最佳复合电镀工艺参数，控制复合电镀层中金刚石微粒的含量和分布。（3）用人工神经网络BP学习算法预测电镀工艺参数对沉积结果的影响，进行电铸自支撑金刚石-镍复合膜沉积工艺参数优化。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 金刚石的性质和用途
• 1.1.1 金刚石的物理特性
• 1.1.2 金刚石的化学特性
• 1.1.3 金刚石的晶体学性质
• 1.1.4 金刚石的用途
• 1.2 金刚石-金属复合镀层的结构和用途
• 1.2.1 复合镀层的概念
• 1.2.2 金刚石-金属复合镀层的结构
• 1.2.3 金刚石-金属复合镀层组织特点
• 1.2.4 镍的性能与组织特性
• 1.2.5 金刚石-金属复合膜的用途
• 1.3 大面积金刚石-金属复合膜的研究背景及意义
• 1.4 大面积金刚石-金属复合膜国内外研究现状
• 1.5 本论文研究内容:
• 第二章 电铸工艺的理论基础与实验方法
• 2.1 金属电镀理论基础
• 2.1.1 概述
• 2.1.2 电镀液的化学组成及电镀过程的化学反应
• 2.1.3 电镀液导电与传质过程简析
• 2.1.4 电镀中的电极过程
• 2.1.5 电极过程动力学
• 2.1.6 金属电结晶过程理论与模型
• 2.1.7 影响镀层质量的因素
• 2.2 电铸工艺
• 2.2.1 概述
• 2.2.2 电铸工艺
• 2.3 电镀工艺条件对镀层质量的影响
• 2.4 超硬材料复合电镀基本工艺
• 第三章 大面积自支撑金刚石-金属复合膜的制备
• 3.1 实验设备
• 3.2 电镀液的配制
• 3.3 金刚石磨料的选择
• 3.4 电镀工艺参数的选择
• 3.5 制备过程
• 3.6 结果与讨论
• 3.7 结论
• 第四章 电铸大面积自支撑金刚石-金属复合膜的品质分析
• 4.1 影响复合膜品质的因素及检测方法
• 4.1.1 影响复合膜品质的因素
• 4.1.2 复合膜品质的检测方法
• 4.1.3 检测设备条件
• 4.2 复合膜的微结构与微应力研究
• 4.2.1 复合膜的微结构研究
• 4.2.2 复合膜中微观应力分析
• 4.3 镀液中金刚石浓度对复合膜品质的影响
• 4.3.1 研究背景
• 4.3.2 研究方法
• 4.3.3 结果与讨论
• 4.3.4 结论
• 4.4 搅拌对复合膜品质的影响
• 4.4.1 研究背景
• 4.4.2 研究方法
• 4.4.3 结果与讨论
• 4.4.4 结论
• 4.5 阴极电流密度对复合膜品质的影响
• 4.5.1 研究背景
• 4.5.2 研究方法
• 4.5.3 结果与讨论
• 4.5.4 结论
• 4.6 阴极悬挂方式对复合膜品质的影响
• 4.6.1 研究背景
• 4.6.2 研究方法
• 4.6.3 结果与讨论
• 4.6.4 结论
• 4.7 温度对复合膜品质的影响
• 4.7.1 研究背景
• 4.7.2 研究方法
• 4.7.3 结果与讨论
• 4.7.4 结论
• 4.8 用人工神经网络预测电铸自支撑金刚石-镍复合膜沉积结果
• 4.8.1 研究背景
• 4.8.2 研究方法
• 4.8.3 结果与讨论
• 4.8.4 结论
• 4.9 结论
• 第五章 复合电镀的固液两相流动理论分析
• 5.1 研究背景
• 5.2 流体力学的基本原理
• 5.2.1 流体的基本性质
• 5.2.2 研究流体运动的两种方法
• 5.2.3 不可压缩粘性流体的运动微分方程—Navier-Stokes方程
• 5.3 固液两相流动基本理论
• 5.3.1 固液两相流特点
• 5.3.2 欧拉-拉格朗日模型
• 5.4 复合电镀槽中的流场分布
• 5.4.1 固液搅拌槽的相关概念
• 5.4.2 固液搅拌槽内两相流研究方法
• 5.4.3 搅拌槽内流场分布规律
• 5.4.4 复合电镀槽内金刚石颗粒的运动
• 5.5 复合膜品质的流体力学分析
• 5.5.1 阴极悬挂方位对复合膜品质的影响
• 5.5.2 搅拌速度和搅拌桨位置对复合膜品质的影响
• 5.6 结论
• 第六章 电铸大面积自支撑金刚石-金属复合膜的应用
• 6.1 应用背景
• 6.1.1 电铸大面积自支撑金刚石-金属复合膜的用途
• 6.1.2 电铸高精度金刚石-金属复合膜切割片的特点
• 6.2 切割片的后续加工
• 6.2.1 后续加工的必要性
• 6.2.2 DEM加工方法（电火花加工原理）
• 6.2.3 结果
• 6.3 划片实验
• 6.3.1 实验条件
• 6.3.2 实验过程
• 6.3.3 实验结果
• 6.4 结果分析
• 6.4.1 切割效率和切口崩口情况
• 6.4.2 切缝宽度
• 6.5 结论
• 第七章 结论与展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 致谢