CVD金刚石膜摩擦化学抛光技术研究

论文摘要

CVD金刚石膜是由化学气相沉积技术沉积的纯金刚石多晶膜,具有最高的硬度和热传导性,良好的化学稳定性和透光性等优越的光学及物理化学性能,被视为21世纪最有发展前途的新材料,在高新技术领域和国防尖端技术领域都有广泛的应用。但是化学气相沉积的金刚石膜表面粗糙、均匀性差,极大限制了金刚石膜的工业应用。所以在工业应用时金刚石膜表面必须经过很好的抛光平坦化处理。热化学抛光技术是目前研究较多而且能够实现金刚石膜的大面积、低耗高效抛光的技术。但目前这种技术由于采用整体加热方式,容易使抛光盘变形,而且所采用的抛光盘材料硬度低、抗氧化性能差,容易粘结和磨损,影响抛光效率和质量。本文采用摩擦化学抛光技术,利用抛光盘与金刚石膜之间的摩擦热达到反应温度以实现金刚石膜的抛光。对抛光盘的制备方法、抛光过程、接触模型以及材料去除机理进行研究,主要研究工作如下:(1)将机械合金化和烧结技术(等离子烧结和热压烧结)相结合,制备两种用于摩擦化学抛光金刚石膜的抛光盘材料——FeNiCr基TiC微粉抛光盘和TiAl合金基抛光盘。这两种材料在硬度、组织和高温抗氧化性上比目前通常使用的304不锈钢、高速钢、铸铁优越,满足摩擦化学抛光过程中所需高硬度、好高温抗氧化性能等要求;(2)建立了摩擦化学抛光试验台,采用自行研制的两种不同材料抛光盘对CVD金刚石膜进行摩擦化学抛光试验,研究了抛光盘材料、抛光盘转速、抛光压力等因素对抛光的影响;(3)建立抛光过程中抛光盘与被加工金刚石膜表面之间的接触模型。该模型将原始表面、加工方式、加工时间和加工速率有力地结合起来,形成一个动态的模型,即时地反映抛光过程中加工表面的变化。通过模拟计算,分析了抛光过程中实际接触面积和实际接触压力的变化。(4)通过检测抛光前后抛光盘表面和金刚石膜表面成分变化,分析摩擦化学抛光过程中金刚石的材料去除机理。结果表明,采用FeNiCr合金基TiC微粉抛光盘抛光时,金刚石在金属的催化作用下,先向石墨转化,然后再以扩散、氧化和机械的方式去除,而采用TiAl合金基抛光盘抛光时,金刚石主要在热作用下与钛反应,以碳化物形式去除。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 选题背景及意义
• 1.1.1 金刚石的结构
• 1.1.2 金刚石的性质与应用
• 1.1.3 金刚石膜的应用要求
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 CVD金刚石膜的制备
• 1.2.2 CVD金刚石膜抛光方法
• 1.2.3 摩擦化学抛光CVD金刚石膜及抛光盘的研制
• 1.3 研究内容
• 1.3.1 课题来源
• 1.3.2 研究内容和技术途径
• 2 摩擦化学抛光CVD金刚石膜用抛光盘的制备技术
• 2.1 机械合金化技术
• 2.1.1 机械合金化材料与设备
• 2.1.2 球磨参数对机械合金化的影响
• 2.1.3 试验结果
• 2.2 等离子烧结技术
• 2.2.1 试验过程与设备
• 2.2.2 FeNiCr基TiC烧结材料性能分析
• 2.2.3 TiAl合金烧结材料性能分析
• 2.3 真空热压烧结技术
• 2.3.1 试验过程与设备
• 2.3.2 FeNiCr烧结材料性能分析
• 2.3.3 TiAl热压烧结材料性能分析
• 2.4 本章小结
• 3 摩擦化学抛光CVD金刚石膜试验研究
• 3.1 试验装置与条件
• 3.2 FeNiCr合金基TiC微粉抛光盘
• 3.2.1 表面粗糙度
• 3.2.2 去除率
• 3.2.3 抛光盘的耐磨性能分析
• 3.3 TiAl合金基抛光盘
• 3.4 抛光过程中温度的变化
• 3.5 本章小结
• 4 化学机械抛光CVD金刚石膜接触模型的建立
• 4.1 模型的建立
• 4.1.1 表面粗糙度分布
• 4.1.2 CVD金刚石膜抛光过程的接触模型
• 4.2 试验仪器与方法
• 4.3 试验计算结果
• 4.3.1 表面粗糙峰分布
• 4.3.2 实际接触面积和实际接触压力
• 4.4 本章小结
• 5 摩擦化学抛光CVD金刚石膜去除机理分析
• 5.1 FeNiCr基TiC微粉抛光盘
• 5.1.1 金刚石膜表面Raman光谱分析
• 5.1.2 抛光盘表面SEMA分析
• 5.2 TiAl合金抛光盘抛光
• 5.3 机理分析
• 5.3.1 压力转化机理
• 5.3.2 剪切滑移变形
• 5.3.3 金属催化反应
• 5.3.4 向抛光盘扩散
• 5.3.5 氧化
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢