金刚石生物技术（精选12篇）
金刚石生物技术 篇1
自上世纪70年代末能源危机之后, 作为重要而有效的可再生清洁能源。太阳能引起了全球的关注。到了上世纪90年代末, 太阳能技术迅速发展, 进入本世纪后, 光伏产业年均增长40%。据报道, 2010年传统的欧洲光伏市场强势复苏, 亚洲、美洲等新兴光伏市场也因为政策的推动而大步迈进。我国光伏产业发展亦十分迅猛, 规模与出货量均位居世界前列, 目前全球对太阳能光伏的研究与应用方兴未艾。
太阳能光伏产业的发展核心在于硅晶片, 硅晶片是光伏电池的关键元件, 在总成本中占相当比重, 因此在硅晶片的生产中应尽可能降低其成本。而降低硅晶片的生产成本主要在于减小晶片厚度、减少切缝损耗、提高产量, 为此, 先进的线切割技术至关重要。就当前技术而言, 金刚石线锯是发展趋势。国际上许多制造厂商纷纷致力于金刚石线锯的研制。现将金刚石线锯的有关技术问题论述于下。
1 金刚石线锯的母线
金刚石线锯是把金刚石磨料固结到金属母线上构成的。母线的材质、规格、强度与连接等技术要求对线锯性能至关重要。
1.1 材质
金刚石线锯工作时承受较大的拉力。通常母线需用高强度钢丝制作, 例如不锈钢丝、钨钼合金丝、优质碳素结构钢钢丝或钢琴线等。
钢琴线一般采用弹性和韧性高的合金材料或不锈钢钢丝等制成, 常用直径范围0.15mm~0.5mm, 标准平均拉力为900N。采用钢琴线制作金刚石线锯比较便捷, 强度和规格可满足一般技术要求。但有不少金刚石线锯生产厂家一直在寻求其它更理想的材料来制作母线。例如美国Kaser Technology West公司采用的Carpenter Stainless Steal Type 321是一种钛稳化奥氏体镍铬不锈钢;也有采用高强度珠光体高碳钢的。有人认为母线最好采用碳素钢, 最低含碳量为0.70wt%, 所制出的母线可达到较小的直径而且可满足强度要求。日本住友电工公司采用的是SWRS77A和SWRS 82A号钢制作母线, 它是一种优质碳素结构钢。比利时Bekaert Group公司则采用冷板高碳镀钢线制作母线, 可达到较高的强度。
1.2 规格
Kaser Technology West公司的研究认为, 金刚石线锯母线的直径要小于0.58mm, 最好在0.20至0.30mm之间。
从目前使用的金刚石线锯来看, 采用的母线直径范围是0.15~0.30mm、0.50mm和0.80mm。但从锯切效率来看, 特别是锯切贵重的晶体材料如红宝石等, 要求母线的直径当然是越小越好。就目前技术水平而言, 拉制的高强度线材的直径最小可达0.12mm, 据称比利时Bekaert Group公司已掌握超高抗拉强度线材的拉制技术, 可生产出直径小至0.10mm的线材。该公司目前生产的高强度冷板高碳镀铜钢线的技术规格见表1。
国际上能生产工业用高强度优质碳素钢线材的国家除比利时外还有日本住友电工公司。该公司采用直径为1.0或1.2mm的钢线为原材, 经过20多道拉板工序与20多个天然金刚石拉丝模才能将直径细化到0.160~0.177mm。每经过一道拉丝模的拉制, 直径缩小约0.05mm。成品用激光扫描测微仪检测, 观察其表面是否有刮伤痕迹, 直径差控制在±1μm。
1.3 强度
美国LTW公司的研究认为, 金刚石线锯母线的强度至少在2070MPa或以上。
母线强度除了取决于本身材质还与热处理工艺密切相关。Kaser Technology West公司研制的Superwire和Superlok金刚石线锯的母线采用的是一种奥氏体铬镍不锈钢, 经热处理后抗拉强度可达到276kg/mm2。其热处理工艺为1750~1950F退火, 水淬, 再经过1550~1650F稳定化处理以消除内应力。
比利时Bekaert Group公司生产的冷板高碳镀铜钢线的强度如表2所列。
日本住友电工的标准母线直径为0.14~0.18mm, 抗拉强度为2900~3200MPa。
有的公司采用最低含碳量为0.70wt%的碳素钢制作母线, 其不同直径的抗拉强度见表3。
1.4 连接
金刚石线锯有两种:一种是单直线金刚石线锯, 装在锯床上作复位运动完成锯切作用;一种是环形线金刚石线锯, 两端头尾相接成环形线, 进行周而复始的连接循环锯切。后者的传统连接方法是将两端头做成斜面搭接在一起或做成钝圆状对接后进行熔焊。这种连接方法往往在焊接处产生脆性区, 工作时容易裂断。为了解决此问题, 可将线两端头垂直切平对接进行精密电焊, 去除焊渣后进行热处理, 加热至1450~1550F, 空气中冷却。
1.5 其它结构形式
金刚石线锯的母线结构除了单线还有绞合线, 单线截面形状有圆形也有水滴形。
Suwake Hitoshi等人曾用两根直径为58μm的钢琴线捻成双股绞线制成外径为150μm的金刚石线锯。在锯切硼硅酸耐热玻璃的试验中锯切效率可提高2倍, 使用寿命延长, 切割面光洁度也有所提高。应指出的是, 耐热玻璃是硬度不算很高的脆性材料;绞合线的强度比单线的高, 但其外径增大了, 势必增加了锯缝损耗;而且在锯切过程中, 线锯张紧度不够稳定。因此双股绞合形式的母线是否适合于制造锯切硅晶片等高硬脆材料的金刚石线锯值得探讨。
2 金刚石磨料的选择
金刚石线锯所采用的金刚石磨料为天然金刚石或人造金刚石。选用时主要考虑的是粒度。根据使用条件与制造工艺要求还应考虑其它物理特性。
2.1 粒度
金刚石线锯切割各种硬脆材料薄片时, 不但要尽量减少锯缝损耗, 还要确保薄片严格的质量要求, 即厚度均匀、极少扭曲、表面损伤深度越小越好, 因此金刚石线锯选用的金刚石磨料粒度十分细小, 一般可用粒度范围是:2~4μm, 4~8μm, 10~15μm, 20~30μm, 30~40μm。为了降低成本, 从锯切效率考虑, 金刚石磨料的粒度不可太细小。根据新锯切材料的质地不同, 金刚石线锯新选用的金刚石磨料的粒度亦不同。例如锯切单晶硅的金刚石线锯通常选用10~20μm的金刚石磨料;锯切硬度大于硅的蓝宝石等则是选用30~40μm的金刚石磨粒。此外, 母线直径越小宜选用粒度较小的金刚石磨料以减小切削力, 因为母线直径越小可承受的拉力也越小。但是, 金刚石磨料粒度越小则切削效率也越小, 会影响锯切效率。总之, 金刚石磨料粒度的选择应综合考虑。
2.2 其它物理特性
对不同的使用条件应考虑金刚石磨料的其它物理特性, 有些易裂碎的金刚石磨料更有利于锯切效率的提高。一般人造金刚石的易碎性大于天然金刚石, 而且价格也更低廉, 所以比较适合于制造金刚石线锯。
就制造工艺而言, 电镀金刚石线锯选用的金刚石磨料应具有较好的导电性, 或者采用镀金属衣的金刚石磨料如镀镍金刚石等。
3 金刚石磨料在母线上的固着方法
在一般金刚石工具制造中, 将金刚石固着在基体上有多种方法, 金刚石线锯是一种特殊金刚石工具, 金刚石作为磨料如何固着到细长的母线上?从技术的角度考虑, 应对金刚石浓度严格控制, 使金刚石磨料以单层形式均匀分布在母线表面;从生产角度考虑应有稳定的工艺流程, 从使用角度考虑应对金刚石有足够大的包持力。能够满足这些条件的固着方法目前可行的有两种:一是树脂粘结法;另一是电镀固着法。
3.1 树脂粘结法
树脂粘结金刚石线锯具有很多优点, 而且生产成本较低, 所以广泛被采用。可选用的树脂有苯酚甲醛树脂、三聚氰胺酚甲醛树脂、环氧胺树脂、丙烯酸树脂类等, 而最常用的是酚醛树脂即树脂粘结型砂轮所用的树脂。但在实际应用中的主要问题是所制成的金刚石线锯强度低, 易发生扭曲和裂断。原因是在树脂加热固化过程中, 容易引起作为母线的金属线变脆。可在树脂粘结剂中加入金属粉末例如铜粉等, 不但可提高强度, 而且也提高了耐热性和耐磨性, 从而提高了锯切效率。当然, 何种类型的树脂适宜加入何种金属粉末, 金属粉末的配比及其目数等工艺问题都有待深入研究。
3.2 电镀固着法
电镀固着法的最大优点是对金刚石磨料的包持力比树脂粘结法的大, 线锯能够以较高的锯切速度工作, 为了进一步提高对金刚石的包持力, 有的制造厂家采用镀金属衣的金刚石, 即在金刚石表面以电镀或化学镀的方法镀上一薄层金属如钛、铬、铜或镍等, 最常用的是镍。
在电镀金刚石线锯的制造过程中很重要的一点是, 不但要保持金刚石磨料在母线上的均匀分布, 还要控制好镀层的应力以防止线锯在工作中发生镀层剥落。
目前电镀金刚石线锯因具有较高的锯切速度和耐磨性, 已得到用户的普遍认可, 但由于电镀过程花费时间太长, 制造成本高, 为此, 在本世纪初, 日本三菱电气和东京大学都在研究快速电镀技术, 其研究内容包括金刚石磨料的导电性、表面活性剂、毛毡刷的形状以及金刚石磨料数量控制和保持线锯外径的均一性等。
4 有待探索研究的课题
4.1 复合固着法
固着磨料型线锯除了用树脂粘结或电镀固着金刚石磨料之外, 还有一种复合固着法, 即以较硬金属制成母线的芯线, 外包一层较软金属, 将金刚石磨料嵌入软金属层中, 再用一层有机粘结剂增强对其包持力。换言之即将金刚石磨料颗粒的一部分嵌入软金属层中, 一部分嵌入有机粘结剂中, 受到双重包持作用。芯线最好采用高强度珠光体高碳钢拉制, 外包层用硬度较低的低碳铁素体钢或者铜、锡、锌、铝、镍的合金等金属;有机粘结剂为热固性高分子聚合物如酚醛树脂、苯酚甲醛、三聚氰胺树脂或丙烯酸树脂类。这种复合固着磨料线锯可望在太阳能和半导体工业中锯切硅晶片或在锯切贵重晶体材料方面获得实在性进展。
4.2 母线精细喷砂处理技术
目前使用的固结磨料线锯有树脂粘结金刚石线锯和电镀金刚石线锯。无论何种固着方式都存在进一步提高固着强度的问题。众所周知, 喷砂处理是对金属表面进行清理净化和使表面变粗糙的一种技术。若能够采用特殊的精细喷砂处理技术对细长的金属母线进行喷砂处理, 可提高其表面粗糙度, 从而有可能提高金刚石磨料在母线上的固着强度。
4.3 金刚石磨料表面织构化处理
表面织构化处理 (Surface textured) 即对材料表面进行高温蒸汽侵蚀使其表面变得粗糙呈织物纹理状。实验证实, 这种处理技术可用于微米级单晶金刚石和锯片级金刚石, 粒度从4~8μm到25/30目。金刚石经过表面织构化处理后提高了表面粗糙度, 增大了表面面积。无论对树脂粘结金刚石或电镀金刚石都可增加粘结的有效面积同时提高表面粗糙度, 从而提高粘结剂或电镀层对它的包持力。此外, 处理后的金刚石表面化学性质无改变, 无石墨化现象, 而且经过处理后消除了有裂纹和有危弱尖棱的金刚石颗粒, 从而提高了整体金刚石磨料的抗压碎强度, 十分有利于树脂粘结金刚石线锯和电镀金刚石线锯性能的提高。
4.4 微水刀激光技术
蓝宝石是优良的透波材料, 广泛用于国防、科研和各工业部门, 可满足多模式复合制导 (电视、红外成像、雷达等) 的需求, 军事上用作红外线装置和高强度激光器的窗口材料, 也是目前发蓝光或白光二极管和蓝光激光器的首选基片材料。锯切此类不可再生的贵重硬脆材料很重要的一点就是尽可能减少切缝损耗以便充分利用原材料, 降低元器件的生产成本。
目前线锯切技术已广泛应用于光伏电池行业中硅晶片的切割。为了大幅度降低光伏电池的生产成本, 必须减少晶锭的锯切损耗、减小晶片的厚度、提高晶片的锯切效率。据预测, 下一代超薄型晶片的厚度将从目前的200μm减薄到100μm或以下。而现有的线锯切技术, 无论是电镀金刚石线锯或树脂粘结金刚石线锯, 由于其固着的局限性很难满足要求。因此线锯生产厂家一直在寻求最大程度减小线锯锯缝的途径, 甚至提出零锯缝的概念———即无锯缝切割技术。
在前沿科技领域中, 微水刀激光切割技术已应用于坚硬材料的精加工。因此将它应用于硅晶片的切割, 实现无锯缝切割是有可能的。因为从理论上说, 微水刀激光切割技术的特点与特性具备晶片切割的要求条件。其一, 激光的能量足以切割高硬脆性材料;其二, 微水刀的水射流呈圆柱状, 被导向的激光束是平行的, 切割面可保持高度平行垂直;其三, 微水刀激光切割的切缝宽度只有30~40μm, 比现有线锯的锯缝小得多;其四, 由于水射流的作用可避免被切割材料的热损伤;其五, 切割面有一薄层水膜覆盖可避免切割过程中熔屑的沾污。
当然, 科学技术要转化为生产力, 仍需科学试验与生产实践。
参考文献
[1]US Patent 6065462.
[2]WIPO Patent Application Wo/2001/138129.
[3]www.bekaert.com
[4]Suwabe Hitoshi:Thin wire tool eleetrodeposited diamond grains and high-speed slieing system, Journal of the Japan Society for Abrasive Teehuology, 2001, Vol45.No8.
[5]T.Enomoto.Y.Shimazaki, Y.Tani, M.Suzuki:Development of a resinoid diamoud wire containing metal powder for slieing a silicou iugot.
[6]Chiba Yosuaki et al.Development of high-speed electroplating method of a wire for slicing a silieon ingot.
[7]US Patent Application 20120017741.
金刚石生物技术 篇2
摘 要：文章采用二通比例调速器阀对六面顶金刚石压机的有关卸压的液压回路进行改造， 改造后取得了良好的效果， 降低了顶锤的消耗。
1、 前言
我公司是专业从事复合超硬材料的研发、生产、销售和服务的高新企业， 主要生产石油钻探金刚石复合片、金刚石拉丝模和切削用金刚石刀片。六面顶金刚石压机是我国生产金刚石复合片 （PDC） 的主要设备， 金刚石复合片是以金刚石微粉与硬质合金衬底为原料在超高压高温条件下烧结而成的复合超硬材料， 它具有金刚石的硬度与耐磨性能， 又具有硬质合金的强度与抗冲击性能， 是制造石油与煤田钻头的卓越钻齿材料。但这种产品对压机的要求非常高， 稳定提高产品成品率及减少顶锤“放炮”现象是一项艰巨的任务。所以， 把新工艺新技术应用到六面顶压机上刻不容缓。
2、 概述
随着石油钻井技术的不断提高， 高品质的金刚石复合片应用越来越广泛， 同样这对六面顶压机的要求也越来越高。我国的六面顶压机液压系统的卸压方式经历了有功卸压、一级无功卸压和一级二级无功卸压等方式， 但这样的前提还是不能精准保证在超高压状态下的`平稳卸压。在超高压状态下的平稳卸压速度不仅对高品质的金刚石复合片的质量影响非常大， 还对硬质合金顶锤的使用寿命至关重要。所以， 我公司设备技术人员通过不断探讨与研究， 决定在其中一台压机上装置一套二通比例调速阀及比例放大器， 进行试验性改进。
3、 工作原理
比例调速阀主要有阀体、比例电磁铁、控制节流口、压力补偿器、行程限制器及单向阀组成。在电气控制上， 利用欧姆龙CP1H可编程控制器的一个D/A端口， 设定为0~10V输出， 在软件上编制出卸压曲线和PID调节程序。D/A端口输出的0~10V电压， 通过比例放大器的放大作用， 输出可调的驱动电流到比例阀上。
4、 液压回路改造图及原理
原来卸压过程是， 增压器上腔是超高压腔， 压强约为100MPa, 要把超高压腔里面的压力卸下来， 需要14CT电磁阀得电油路经过14CT电磁阀， 打开11液控单向阀， 增压器下腔的液压油， 通过11液控单向阀， 到达12节流阀， 通过12节流阀回油箱， 当压力下降到40MPa, 15CT电磁阀得电， 增压器下腔的液压油， 通过15CT电磁阀， 又通过13节流阀回油箱， 又为增压器下腔的液压油提供一条通道， 提高低压时， 卸压速度。这就是一级二级无功卸压原理。这种卸压方式高压的影响时快， 低压时慢， 对产品的质量， 特别是高端产品的质量有比较大。卸压速速有人工调节， 卸压的时间控制精度不高。 （图1） .
改造后卸压过程是， 有压力卸压曲线确定卸压的时间， 每一秒需要卸压多少， 由PLC发出指令到D/A端口， D/A端口输出合适的信号到比例放大器， 信号放大后， 到达比例调速阀上， 来确定比例调速阀开口的大小， 这个是个动态的过程。压力变送器实时反馈给PLC当前压力的大小， 使得PLC不断调整输出模拟量的大小， 通过PID的调节作用自动调整， 使实际压力与设定压力基本接近， 从而实现平稳的卸压。卸压速度自动调节， 卸压的时间控制精度很高。并且， 还保留原来的卸压方式作为备用， 防止比例调速阀出现问题， 卸不了压力， 造成安全事故。在程序上设计有卸压方式的切换。 （图2） .
图2
5、 控制界面的设计
图3
6、 使用效果
自我公司从第一台φ750六面顶压机上改造后使用， 效果非常好， 使我公司的高品质复合片质量得以大大提高， 打破了国外公司 （GE） 对高品质复合片的垄断。采用比例调速阀装置不仅可以保证复合片生产过程中的工艺要求及卸压过程中的精确控制， 同时也大大延长了硬质合金顶锤的使用寿命。
参考文献
[1]高殿荣。液压工程师技术手册第二版[M].北京：化学工业出版社，
仓库金刚砂整体耐磨地坪施工技术 篇3
摘要：金刚砂整体耐磨地坪具有表面硬度高、密度大、耐磨、不生灰尘、不易剥离、经济、适用、范围广等特点。采用软木板及小型固定件留设伸缩缝方法适应金刚砂整体耐磨地坪大面积施工的需求，解决整体耐磨地坪的表面平整度控制难题，同时克服了混凝土基层整体浇筑后锯切伸缩缝所带来的温度裂缝、沉降变形裂缝。
一、工程概况
达芙妮（四川）鞋业有限公司制鞋生产厂房（二期）项目位于四川省巴中经济开发区，包括1#成品仓库等共8个子项工程，1#成品仓库建筑面积为8639.0m2，车间长、宽均为90.48m，柱距8.0m，跨度30.0m。
1#成品仓库地面构造：4厚金刚砂面层；150厚C25混凝土，内配双向Ф12@200；40厚C15混凝土随捣随抹找平；1.2厚合成高分子防水涂料，面粘黄砂；60厚C15混凝土随捣随抹找平；250厚级配碎石垫层压实；
二、金刚砂整体耐磨地坪施工程序：
分块边模支设→伸缩缝埋设→混凝土基层浇筑→找平拍浆→撒布金刚砂混合料→机械抹光→养护
三、钢筋混凝土基层浇筑施工工艺
1、首先将防潮保护层清理干净，不得有松散颗粒和垃圾。
2、分块边模支设：用14#槽钢隔成条形区域（24m×90m），槽钢上口用水准仪控制好地坪面层的标高。槽钢下口用钢筋或砂浆垫块垫好。
3、伸缩缝埋设：伸缩缝分仓按7.5m×8.0m尺寸。
①每个施工板块边缘与围护墙（钢柱）采用8厚软木板与结构进行分隔，粘贴在防潮层上。
②伸缩缝分仓采用专用固定件将12厚软木板固定于防潮保护层上，如上图所示：
4、铺设钢筋网：网片钢筋采用花扎法进行绑扎，网片钢筋扎好后用保护层垫块双向间距800mm垫起网片钢筋。
5、地坪混凝土采用商品混凝土，整个施工板块一次浇筑，随铺随用长杠刮平，用平板振动器振捣密实，有低洼处随时用混凝土料补平，混凝土浇筑应连续进行。
5、板块伸缝的处理：用40*4mm水泥钉将120mm宽、12mm厚软木板（搏丽雅牌）钉于已浇筑地坪侧面，水泥钉呈梅花形布置，间距不大于350mm。砼浇筑3天后用混凝土切割机锯伸缩缝，切缝深度35～40mm，切缝宽度3～4mm。
四、金刚砂耐磨面层施工工艺
1、撒料前混凝土表面处理工作
撒料前，要求混凝土振捣密实、平整、混凝土面层无浮水。
①初次除水刮浆：混凝土浇注成型后约2小时，以人在混凝土面上踩行不明显下陷为准，用铝合金直尺刮平；用橡皮推刀把集中的浮浆刮除。
②初次刮平：用3米长直尺检查混凝土面平整度，当直尺底边离开混凝土面最大≤2mm属合格，否则需用铝合金直尺刮平。刮平时两手抓放在直尺中部附近位置，刮平时两手往下稍用劲（两手用劲均匀），随即拖动直尺前后刮行。刮平过程中，直尺分别纵横向刮行。当局部地方高低差较大时，用较短直尺前往复搓刮。
③滚压提浆：当混凝土表面初步平整后，用长铁滚筒（L=2～3m）反复滚压（滚压3～5遍）整平混凝土面层；长滚筒反复滚压整平时，先滚压四周边缘，然后分别以纵横方向反复滚压整平板块中部。
④再次刮平：長滚筒反复滚压初步平整后，再次用直尺检查混凝土面平整度。不合格处可用水泥砂浆进行找平。此次刮平主要是用铝合金刮尺以扇形方向扫刮。低凹处主要是用小水灰比1：2水泥砂浆填平。此次刮平一定要使整个施工面的平整度符合要求。
⑤再次滚压提浆：此次滚压主要是使混凝土表面提浆湿润，为撒料创造条件。滚压整平时也是先四周边缘，然后纵横方向分别平行滚压。
2、初次撒料及抹平
（1）初次撒料：①初次撒料时，混凝土面应无浮水，用手指按压时其表面浮浆湿软，但混凝土已初凝，感觉不到游离的石子存在，也就是说手指按压混凝土时，有压痕但不能很深；②固化较快地方，先撒料，撒料后用木抹子和铁抹子搓平抹压；③撒料时，工具离开地面位置要尽量低，材料摊开面积要大，摊开厚度要均匀一致；④只有确认可以撒料的地块才能撒料，不能早撒，也不能晚撒；不能错撒、漏撒以免导致耐磨层厚薄不均。必要时局部地方可补撒料。
（2）抹平提浆：①初次撒上的料吸水颜色变深后，才能开动抹光机抹平提浆；②抹光机的运行时先抹压四周边缘，然后分别以纵横方向抹平板块中部。靠近边角难于用抹光机抹平的地方用铁抹子抹压整平；③不能完全依靠整平机，根据不同情形可以用铁抹子、木抹子进行抹压提浆；④初次撒料后可用铝合金刮尺刮平地坪表面。
3、中途撒料及抹平提浆：①中途撒料及抹平提浆的过程方法与初次撒料基本相同；②中途撒料的次数一般控制不大于2次，撒料量应逐渐递减；③气温高时，混凝土凝结固化速度较快，可考虑撒料→抹平→撒料→抹平连续进行。
根据混凝土凝结固化情况，现场负责人应对施工地点、人员、机具、施工量等作出恰当配置与安排，并根据具体情况，兼顾施工进度与质量，作出及时的调整、安排。
4、最后一次撒料及抹平：①最后一次撒料时用手指按压混凝土表面，稍有压痕，但有明显手印和手指明显感到湿，也就是说混凝土此时接近终凝但还不到终凝的时刻；②撒料后稍等一会，等材料吸水后才抹平，抹平过程与前述方基本一样；③撒料时一定要保证施工地块以外边缘带一米清洁卫生，这时其他杂物不能混入施工板块；④此次撒料最好用颗粒级较小的耐磨材料；如用正常级配的耐磨材料，一定要确保地坪稍湿软，抹光机能把耐磨骨料磨压嵌入地坪内；⑤负责人应现场巡视，勤用手摸，以便做出正确判断并及时安排人员进行处置。
5、抹光机磨光：①最后一次抹平后安排抹光机磨光；②抹光机磨光时应按一定路径匀速不断运行。抹光机刀片倾斜角度及其运转速度要与施工地坪状况相适应，以避免刀片粘吸耐磨层，造成地坪空鼓、起皮；③当耐磨层颜色变深，地坪开始变亮，用手指按压地坪完全无压痕，只是稍有手印和手指有点湿时，停止磨光。
6、表面修饰及养护：①抹光机磨光后面层仍存在抹纹较凌乱，为消除抹纹最后采用薄钢板抹子对面层进行有序、同向的人工压光，完成修饰工序；②耐磨地坪施工5～6小时厚喷洒养护剂养护，用量为0.2L/m2，或面铺透气塑料薄膜防止开裂，但严禁洒水养护；③耐磨地坪面施工完成24小时后即可拆模，但应注意不得损伤地坪边缘；④完工3天后应切割缝，以防止不规则龟裂。切割应统一弹线，以确保切割缝整齐顺直，切割深度应至少40mm。填缝材料采用弹性树脂等材料，本工程为仓库，采用透明玻璃胶。
五、施工效果
达芙妮二期项目1#成品仓库金刚砂整体耐磨地坪施工在15天完成，经由施工、监理、业主共同验收，一致认为工程质量良好。在工程竣工后一年的回访时，未发现金刚砂整体耐磨地坪表面有不规则开裂、脱皮等象，达到了预期效果。
参考文献：
[1] 李志远 大体积超长混凝土楼盖的裂缝控制与温控技术 《广东建材》 2010年3期
[2] 李欢 超长混凝土楼板的裂缝控制措施分析 《科技信息》 2011年11期
[3] 金雪鳞 一种新型建材—软木 《砖瓦世界》 1991年5期
[4] 石伟国 金刚砂整体耐磨地坪施工技术 《建筑技术》 2006年9期
CVD金刚石技术和应用 篇4
自20世纪80年代初在全世界形成了研究化学气相沉积(CVD)金刚石技术热潮以来,CVD金刚石沉积技术、加工技术和应用技术得到了飞速发展。虽然90年代中期至1999年,CVD金刚石技术进入了一段较沉闷的发展时期,但这并不意味着人们对CVD金刚石技术的质疑,而是多方面因素影响的表现:大多数大学的研究组完成项目后目标转移,但培养了许多未来从事该技术的人才;各国的研究经费已经基本到位,起了引导作用后完成使命,持续的研究将主要由有实力的大公司进行或出资赞助,研究成果一般为实用化技术,具有一定的商业保密性。1999年后至今,国外除了原来的几家专业从事CVD金刚石沉积设备和产品的公司外,又出现了几十家专业技术公司。主要产品包括沉积设备,工具产品,电子器件产品,CVD金刚石材料以及专业加工设备等。
从商业角度看,尽管CVD金刚石具有优异的性能,但由于成本高,加工难度大,限制了应用的推广和普及,与当初人们的过高期望值相差较大。随着低成本制备技术和加工技术的开发和针对性强的新产品的研发,CVD金刚石产品的广泛使用将逐步变成现实,事实上这个过程已经在进行。
2 CVD金刚石沉积技术
2.1 CVD金刚石沉积设备
经过近20年的发展,CVD金刚石制备技术无论从金刚石质量、尺寸、以及生长效率等方面都已取得长足的进步。除了下述四种生长技术外,还有火焰CVD技术、微波ECRCVD技术和RF等离子体CVD技术等,目前,实用化生长技术主要有:热丝CVD、微波等离子体CVD、直流等离子体喷射、CVD热阴极直流辉光等离子体CVD生产技术。
2.1.1 热丝CVD(HFCVD)
热丝CVD金刚石生长技术是最经典的生长技术。特点是设备一次性投资少,具有操作简单、容易控制等优点。生长面积最大可达直径200～300mm。但热丝CVD生长技术由于气体中活性成分低、无法加入氧气并存在热丝污染问题,难以制备出高纯度金刚石膜。热丝CVD技术制备的金刚石膜主要应用于耐磨、切削、磨削工具等机械加工领域。热丝CVD技术的代表厂家有SP3公司,CRYSTALINE公司等。SP3公司推出的生长设备为600型(MODEL 600)。该设备的生长区域为12”×12”, 沉积速度为0.3～1微米/小时,主要为制备涂层工具设计。
北京天地东方超硬材料股份有限责任公司的热丝—直流等离子CVD金刚石技术和设备在国内处于领先地位,目前已经达到批量生产水平。该型设备主要用来制备工具用金刚石厚膜,沉积面积大,可沉积Φ150mm金刚石原片。
2.1.2 微波等离子体CVD(MWPACVD)技术
近年来微波等离子体CVD技术发展较快,功率在几十千瓦以上,优越性也越来越明显。微波放电产生的等离子体具有能量高、无杂质源等优点。生长过程中可以加入少量氧气,进一步提高沉积过程中石墨成分的去除速率。微波生长设备主要用来制备光学级、介电级、甚至单晶外延等高技术应用的金刚石膜材料。
国内微波等离子体CVD沉积设备的技术水平与国外相差较大, 这种差距将影响我国在这一领域的继续发展,这个问题如果不能在近期得到解决,CVD金刚石在高技术上的广泛应用将受到严重制约。
2.1.3 直流电弧喷射等离子体CVD技术
该种技术的特点是生长速度较快,气体消耗量大。基本原理是:在一定气体环境中利用直流电电弧放电产生的热等离子体活化反应气体来生成金刚石膜。由于热等离子体温度可高达5000 K,因此原子氢浓度高于热丝和微波CVD方法。上世纪90年代初美国NORTON公司开发了磁场扩束技术,用这种技术将电弧均匀扩束,生长大面积金刚石膜。
北京科技大学[1]和河北省科学院等离子体研究室[2]开发的旋转电弧法是利用旋转磁场驱动电弧,使得电弧旋转,以便生长大面积金刚石膜。
2.1.4 直流热阴极等离子体CVD技术
该技术采用直流辉光放电产生等离子体,将基体放置在阳极,阴极受到离子轰击温度升高而生产金刚石膜。这是在1985-1995年期间由吉林大学发展的一种CVD沉积金刚石技术。韩国日进公司(ILJIN)[3]也开发了多热阴极直流等离子体CVD技术进行生产,已有平面度很好的直径100毫米机械级金刚石膜批量生产。
2.2 CVD金刚石工艺
不同的应用需要有不同的沉积工艺,一般可分为光学级金刚石膜工艺、机械级金刚石膜工艺、低温沉积工艺、涂层工艺、掺杂工艺、异质外延工艺、单晶金刚石膜工艺、纳米金刚石膜工艺。在进行这些工艺研究中最常用的设备是微波CVD金刚石设备。
2.2.1 光学级金刚石膜工艺
光学级金刚石膜具有宽波段透过、低介质损耗、高热导率、高硬度、化学稳定的优异性能,是理想的窗口材料。光学级金刚石膜的制备要求等离子体电离密度高,通常采用大功率微波CVD设备,碳浓度低,基体温度精确控制,加入少量的氧气,系统真空密封性好、气体纯度高。金刚石膜晶粒尺寸大。生长速度低。
2.2.2 机械级金刚石膜工艺
机械级金刚石膜强度高,不透光。要求生长过程条件稳定,碳浓度高,生长的晶粒细小。
2.2.3 低温沉积工艺
为了避免沉积金刚石膜时高温对基体结构性能的损害,采用微波CVD和加入氧气等技术降低沉积温度,最低可达350°C
2.2.4 涂层工艺
CVD金刚石涂层技术主要用于机械加工方面,尤其是在钻头等具有复杂形状的切削工具方面的应用特别有意义,基本结构是在基体材料(通常是硬质合金)上沉积几微米至几十微米的金刚石膜,膜表面晶粒细小,粗糙度低。一般采用热丝CVD技术。
2.2.5 掺杂工艺
作为半导体应用所必需的金刚石膜的掺杂技术和外延技术一直是吸引人们研究的重要问题,硼掺杂技术早已成功,氮掺杂技术进展不大。
2.2.6 单晶金刚石膜工艺
单晶金刚石膜首先为半导体应用所必需,但由于金刚石成核的高表面能,很难在硅单晶上实现异质外延,现在许多实验室尝试在单晶硅(100)面沉积高定向金刚石膜以期获得大面积单晶膜。关键工艺是表面处理和成核控制。
同质外延金刚石有可喜的进展,Yogesh K. Vohra(Department of Physics, UAB)[4]用微波等离子体CVD技术同质外延沉积单晶金刚石,生长速度达到30～40 μm/h,沉积温度1200℃～1300℃。
2.2.7 纳米金刚石膜工艺
纳米金刚石膜不仅有普通金刚石膜的硬度,而且表面光滑(光洁度Ra20nm左右),无须抛光。在微机电系统(MEMS)、耐磨涂层等领域有很好的应用前景。一般文献中报道有多种纳米金刚石膜沉积工艺,但应注意的是以氢气为主的工艺不能称为纳米金刚石膜工艺,因为膜厚增加时(大于1微米)晶粒大小随之增加超过1微米。典型纳米金刚石膜工艺为美国Argonne国家实验室Dieter Gruen教授发明的微波氩气CVD工艺[5],99%氩气1%CH4,基体温度700℃,气压13300Pa。他们称这种金刚石膜为UNCD(ultra-nanocrystalline diamond films)。
3 CVD金刚石加工技术
加工技术是将CVD金刚石原料片按照应用要求改变其几何形态的技术。由于CVD金刚石硬度非常高,化学性能稳定、绝缘,因此加工难度非常大。常用加工技术是激光切割、打孔,抛光和焊接。有时还包括氢或氧等离子体处理。
3.1 切割技术
切割精度除了和机械控制系统精度相关外,主要取决于激光功率、波长、脉冲频率、聚焦光斑大小。在保证切割深度的情况下,功率低和脉冲频率高有利于精度的提高和减小切割对金刚石膜的损害,因为切割过程中金刚石膜吸收激光能量会碳化汽化,这是因为气体迅速受热膨胀,形成冲击波,金刚石膜局部也会吸热受到热冲击。
一般CVD金刚石切割多采用标准Nd:YAG激光器。这种设备切割效果尚可,目前有些公司(例如Laserod Inc.)采用倍频技术,将1.06μm变为532nm,或者用铜蒸汽激光器(输出光波长为510nm),这种绿激光可聚焦成更小的光斑直径,切缝更小,加工的精度也就越高。Laserod公司[6]主要生产和销售各种加工用激光设备。
National Security Agency's Laboratory for Physical Sciences (LPS) 采用Nd:YAG调Q激光器切割,平均功率较小,但开关频率较高。频率高时切割的边缘整齐,不易有崩边现象。
3.2 抛光技术
目前有几种抛光技术可用来加工 CVD 金刚石。传统的湿抛技术一般包括两个步骤,研磨和抛光(lapping and polishing)。研磨的主要目的是将原有的厚度减小到所需的尺寸,使其表面达到光学级平面。通常采用较大粒度(6～50μm)的金刚石研磨膏涂在铸铁或工具钢平面上进行研磨。在研磨过程中,有几个参数对移除速率和平面度具有较大影响,参数包括金刚石磨料粒度、研磨膏补给速度、平面形状、尺寸和速度、平板上的沟槽尺寸图案形状以及施加的单位压力等。此外,在研磨过程中,连续补偿金刚石研磨膏非常重要,特别是金刚石粒度,浓度,载带液体类型和所用的添加剂。
抛光(polishing)的主要目的是降低表面粗糙度(例如镜面级)。与研磨过程不同的是,通常在铜或黄铜表面进行操作,有时还要用专用的抛光布。此外,抛光用的金刚石粒度很细(0.25～6μm),施加的压力要更高。抛光时经常引起平面度降低,因此需要非常小心地操作,以保证在获得高表面光洁度的同时平面度得以保持。这种方法效率低,消耗大量金刚石磨料,成本较高。但可以更好地控制样品的平面度、厚度和平行度,平面度可达到1μm/inch,粗糙度Ra低于30nm。
激光平整化和化学辅助(如热铁盘)方法的最大特点是速度快,成本低,尽管平面度、平行度和表面光洁度的控制难度更大。激光平整化可用来平整生长表面,获得一个相对平坦的表面,而精确的表面形状则必须要使用模板方式。
化学-机械抛光(CMP)技术除了上述热铁盘方法外,采用稀土金属或其合金方法可以大大加快金刚石的去除速度,但控制难度大。该类方法过去在真空环境下进行,现在已发展到在保护性气氛下进行。
3.3 钎焊技术
关于焊接技术,在工具应用中主要是指与硬质合金进行钎焊。该技术的主要方法没有太多变化,环境气氛为高真空条件下,有些文献也提到在保护性气氛下进行,可以大大降低成本。钎焊前的表面清洁、焊缝宽度、焊接面粗糙度等对于焊接强度(剪切强度)、金刚石工作面使用寿命等影响较大。
4 CVD金刚石产品应用技术
自20世纪80年代至今,CVD金刚石研究在制备、加工、性能分析、应用等方面取得许多重大突破,部分产品已经进入商业化生产、销售阶段。尽管目前世界范围的金刚石膜研究热已经过去,但我们所看到的是,金刚石膜各项研究逐渐进入有实力的大公司和专业性强的研究机构。一些专业化CVD金刚石公司也纷纷成立,希望在工具、声学、热学、光学等领域的应用中抢占先机。CVD金刚石制备及应用研究逐渐回归,逐渐去除泡沫,回到正常、健康的发展道路上。
20世纪90年代后期,DEBID(De Beers Industrial Diamond ), SP3,P1 Limited,Crystallium(from ART), Kobel Steel Co., Samitomo Elec. Co., 等公司在CVD金刚石应用方面的研发逐步进入良性循环,这与他们制定和实施的中、长期发展战略有直接关系。
4.1 机械应用
这里所谓的机械应用,包括加工工具,修整工具,耐磨器件,医疗器械,以及其他要求低摩擦系数,高耐磨性的高精度部件或工具(模具)。
4.1.1 切削刀具
CVD金刚石刀具有两种主要形式,一种是厚膜刀具,一种是涂层刀具。刀具产品开发是CVD金刚石早期应用的一个例子。
厚膜刀具:工作部分为厚度0.2毫米以上的金刚石膜和硬质合金的复合体,需要抛光和刃磨。
CVD金刚石的硬度比PCD高2～5倍,耐磨性更好。因无粘结相,抗腐蚀性强,热导率高,适合干、湿切削加工工艺。CVD金刚石刀具的抗冲击性较弱,不适合高速断续切削,适合精密、连续切削。用于木材、铜、铝、塑料、石墨、玻璃钢等材料加工比PCD金刚石刀具有明显优势。
涂层刀具:硬质合金、Si3N4等刀具材料上沉积一层10～30微米的金刚石薄膜。
涂层刀具大大提高了硬质合金刀具的耐磨性和使用寿命,抗冲击性比厚膜刀具好,可以制成复杂形状的切削刀具,但因为金刚石部分没有研磨,所以光洁度不高。涂层刀具常见的有机卡刀,钻头以及绞刀等。
4.1.2 修整工具
CVD金刚石作为修整工具的材料比较合适,可用来制造单点、多点、修整刀片、转位、滚轮等各种砂轮修整工具。因为金刚石片可切割成条状或颗粒状,使得修整过程均匀稳定,适合自动化程度较高的加工设备,图1为两种砂轮修整器修整特点比较原理图。另外,由于适当粒度(膜内晶体颗粒的尺寸)的CVD金刚石的高耐磨性和脆性,使得在修磨过程中始终保持较好的修磨状态,即自锐性较好。价格比单晶金刚石(人造大单晶切割)条便宜。
国内外制造修整工具的厂家很多,主要原料仍然为单晶金刚石,主要产品为修整笔和砂轮刀等。修整笔有单列和多列,金刚石粒度较小(<1mm),顶针式排列。在现有的修整工具类型中有许多可以用CVD金刚石代替,如转位式等。总体来说,修整工具处于开发推广阶段。
摘要：通过大量文献资料和有关网页,叙述了近年来国内外化学气相沉积金刚石的制备、加工和应用技术研究的进展、商业化现状等。文章列举了大量图片和数据,试图展示近几年CVD金刚石有关方面的信息。文章显示,CVD金刚石技术研究和商业开发虽然都取得了长足的进步,但仍然有巨大的发展空间,特别是在传统的金刚石无法涉足的一些高技术应用领域。
关键词：CVD金刚石,技术,应用,市场
参考文献
[1]国家“863”15周年成就展:http://www.863.org.cn/15year/materials,(2001).
[2]河北省科学院等离子体研究室网页:http://www.he-diamond.com,(2001).
[3]ILJIN公司网页:http://iljindia.co.kr/company/companyrd.html,(2002).
[4]http://www.eng.auburn.edu/department/ee/ADC-FCT2001/ADC-Ctabstract/036.htm.
[5]D.Zhou,a)D.M.Gruen,b)L.C.Qin,T.G.McCauley,and A.R.Krauss,J.Appl.Phys.,Vol.84,No.4 15AU-GUST 1998,p1981.
金刚石是什么 篇5
金刚石是在地球深部高压、高温条件下形成的.一种由碳元素组成的单质晶体。金刚石是无色正八面体晶体，其成分为纯碳，由碳原子以四价键链接，为已知自然存在最硬物质。
人造金刚石的方法
一，高温高压法，高温高压法技术已非常成熟，并形成产业。国内产量极高，为世界之最。
金刚石剃须刀锋利耐用 篇6
坐在位于德国曼海姆市(Mannheim)的一家咖啡馆——距离其位于乌尔姆市(Ulm)(阿尔伯特爱因斯坦的出生地)办公室北部几小时路程，弗洛特突然拿出一个看起来很普通的塑料手柄的剃须刀，但其中安装的是GFD公司的金刚石镶齿刀片的样品。
他用自己的手臂展示其如何像正常的剃须刀那样顺利地修剪毛发。他递给我，也让我试试，它就像我经常使用的剃须刀。但弗洛特说，其主要的区别在于，他的金刚石镶齿刀片可以用几年，而不是几个星期。
刀片的主体是由碳化钨(一种高密度金属化合物)制成的，除了有一点重和较深的金属色，看上去就像平常的剃须刀刀片。在尖端的人造金刚石涂层(在纳米级别进行了碳处理)使其看起来一点都没有光泽。
弗洛特没有透露GFD公司是如何创造人造金刚石涂层的细节。他更乐于提供该公司的刀片是如何锋利的信息。工程师们把数十把刀片竖立在一个真空室内，然后用氧离子或氯气(它们已经由电场激发到等离子态)冲击刀片。这个过程与极细砂纸作为磨具磨削类似。
这种方法制造的刀片之“曲率半径”(刀片的极小边缘，在显微镜下其实际上成圆形)约为50纳米。这比GFD公司为切割塑料薄片而销售的刀片锋利约10倍。弗洛特再次递给我他的剃须刀：当把它压在我的皮肤上时(就像我在正常刮胡子那样)，只是轻擦了我胳膊上毛发的末端，刀片根本不用费力就能切断毛发。
毫无疑问，用这种方法制作的刀片会使剃须刀变得更昂贵。但由于它们可以比便宜的一次性剃须刀使用更长时间，长远来看，该刀片还是划算的。GFD公司希望，新技术的刀片可以让用户在一年左右的时间收回成本。不过，弗洛特首先需要一家刀片制造商与其拥有7个员工的公司合作。他表示，如果一切顺利，他生产的刀片可能在2—3年内上市公司。
关于金刚石刀具刃磨技术的探讨 篇7
1 金刚石刀具简述
随着超精密加工技术在越来越多的领域受到重视, 金刚石刀具也逐渐向越来越多的领域发展, 其中最主要的有三个领域:1) 是提高产品的质量, 使产品性能趋于一致, 针对不同的系列可以进行不同等级的加工;2) 是进行更加精密的加工, 加工对象随意, 进行更加复杂结构的加工;3) 是使CVD金刚石膜进入更加快速的商业化发展阶段。
现阶段, 我国金刚石刀具研究和生产厂家主要集中在上海、北京、广州、深圳等发达地区, 与欧美国家大多数金刚石刀具制造厂商的生产技术还具有较大差距, 最明显的表现就是我国仍无法自主生产金刚石原材料, 还需要通过GE公司、De Beers公司进行金刚石原材料的采购。其次, 我国在金刚石刀具制作过程中还遇到技术装备落后的阻碍, 导致产品的精度、工作效率以及表面光滑程度与发达国家相差巨大。国内几乎所有厂家使用的金刚石刀具刃磨机床全部进口自瑞士Ewag, 其他附属加工设备也基本依靠进口。近年来, 我国以清华大学、大连理工大学、哈尔滨工业大学为代表的高校已经投入超精密刀具领域的研究, 极大地推动了我国PCD刀具等金刚石刀具的应用和发展。
制作金刚石刀具最关键的技术就是刀具的刃磨技术, 该项技术以及配套设备的成熟程度决定了金刚石刀具的精密程度, 为了不断地提高刀具的质量和精度、合理地控制加工制作成本, 必须在刃磨技术和加工设备方面投入更多的心血。众所周知, 金刚石作为刀具制作材料必须提高其硬度和强度, 但是为了同时提高其精度又大大的提高了刃磨技术的难度, 所以目前我国刃磨技术仍满足不了金刚石刀具的使用需求。大多数金刚石刀具用户刀具损坏之后只能返厂重修, 而重修所需要的设备往往又要依赖于欧洲国家的进口, 这就必然导致用户浪费大量的时间和金钱, 不但不利于客户企业的健康发展, 而且阻碍我国精密技术的进步。
2 金刚石刀具研磨机制与技术
金刚石刀具刃磨工艺和研磨技术是提高刀具质量和精度的关键要素, 高超的研磨技术不但可以降低刀具表面的粗糙程度、降低刀口钝圆半径, 而且可以有效地降低企业加工成本。现阶段最常用的金刚石刀具刃磨技术就是机械刃磨方法, 这种方法主要利用了金刚石的物理性质, 即当两块金刚石研磨的晶面和方向固定时, 只要金刚石磨粒大小满足其动态脆塑性转变临界研磨深度的需求, 金刚石晶体表层材料便可实现塑性方式去除。大概操作方法就是在金刚石表面涂抹小于50微米的金刚石磨粒, 然后用表面带有微孔的直径约为300毫米的圆形研磨盘对金刚石进行高速研磨, 研磨开始不久, 微小的金刚石磨粒就会嵌入研磨盘表面微孔内, 这样就相当于利用金刚石微粒对金刚石进行研磨。在对刀具制造过程中, 专家们发现如果用质地较软于金刚石的材料与金刚石进行高速摩擦时, 金刚石表现出易磨损的性质, 如果磨料的活性又大于金刚石的话, 这种易磨损的性能则更加明显。因此, 专家们做出了金刚石难以耐高温的结论, 即高速研磨过程中产生的高温会加速金刚石的碳化过程, 进而使金刚石出现破损。基于这种现象, 专家们又发现了金刚石的热研磨机制。下面我们就具体的分析金刚石的研磨技术。
2.1 金刚石砂轮机械刃磨
目前国内使用最普遍的就是金刚石砂轮机械刃磨技术, 这种工艺是制作PCD刀具最好的方法, 加工制作出的刀具刃口钝圆半径较小, 刀口相对光滑整洁。砂轮机械刃磨法之所以普遍的使用, 而且工艺比较成熟就是因为这种方法是集合了物力和化学两种机制同时作用于金刚石刀刃上, 这种较为复杂的研磨变化基本机理为:物理作用产生自砂轮表面的金刚石磨粒高速运转对PCD材料表面形成非常强烈的摩擦力, 导致PCD材料表面出现细微的破裂和颗粒的脱落;而化学作用则来自高速摩擦后产生的热量作用在金刚石表面, 使金刚石发生碳化。该研磨方法还需要注意的一点就是在刃磨过程的中后期, 必须使用冷却液对砂轮表面和PCD材料表面进行降温处理, 只有保持温度在一定范围内才能够保证刀口的光滑整洁。
2.2 放电刃磨
放电刃磨技术, 顾名思义就是利用电火花放电对PCD材料进行加工的技术。放电刃磨最主要的就是运用金刚石的化学性质, 即利用砂轮与PCD材料两个分离的电极放点瞬间产生的高温对PCD材料进行热侵蚀, 从而将PCD材料表面的微粒熔化和气化。通电的电动机高速旋转, 带动连接着脉冲电源的砂轮转动并与PCD材料接触, 带点磨盘与被加工的刀具高速摩擦产生瞬间的高温, 以便将刀具表面软化, 再利用砂轮磨出合适的形状。放电刃磨技术与前面提到的砂轮机械刃磨技术相比效率更高, 而且加工成本相对较低。然而放电刃磨技术也存在一定的缺陷, 就是高温情况下, 金刚石容易出现碳化现象, 所以在刀具加工完成后仍然可能在刀具表面存在微小的裂缝或是损失, 这些潜在的缺陷很可能降低刀具的使用寿命。另外, 由于放电刃磨技术更多的利用金刚石的化学性质, 所以很难控制其研磨的力度是否恰到好处, 导致刃口的质量和精度与机械刃磨法相比还有明显的不足之处。
2.3 其它刃磨技术
随着科技的不断进步, 专家们利用新科技不断的发现新式的刃磨技术, 例如超声波磨削、激光加工、电化学磨削等, 这些高科技为发展刀具的刃磨技术起到了非常重要的作用。超声波磨削主要利用超声波的震动对刀具进行磨削, 激光加工则是利用激光产生的高温对刀具表面进行处理, 电化学磨削是利用化学药剂的溶解作用加上机械研磨共同作用于刀具。
3 总结
金刚石刀具的刃磨技术关乎金刚石刀具产品的质量和精度, 也关乎我国精密加工产业未来的发展。如何将目前的精细化刃磨技术研究到极致, 同时寻找出更多新式的刃磨技术并将它们运用到实际工程中去是我国未来研磨工艺研究的重中之重。
参考文献
[1]袁巨龙, 张飞虎, 戴一帆.超精密加工领域科学技术发展研究[J].机械工程学报, 2010.
金刚石合成技术与研究现状简介 篇8
关键词：人造金刚石,大单晶合成,HPHT,CVD,金刚石应用
金刚石具有硬度高、耐磨性好、摩擦系数低、导热性好、化学与热稳定性好等诸多优异特性, 因此已被广泛地应用于工业、科技、国防、医疗卫生等领域。我国天然金刚石资源匮乏, 自1963年中国首次合成金刚石以来, 经过业界人士40多年的共同努力, 中国金刚石的生产规模得到了空前的发展, 生产技术水平也有了很大提高。中国已经成为世界上首屈一指的人造金刚石生产大国, 但是中国并非金刚石生产强国。目前国内众多金刚石生产厂家侧重于生产金刚石粉料、金刚砂等。随着金刚石使用规模的扩大, 大单晶金刚石的生产需求已经非常迫切。本文将介绍当前国内外大单晶金刚石的合成技术及应用研究现状。
1 金刚石合成技术
金刚石的人工合成研究, 实际上是从探索天然金刚石的成分开始的。1797年, Smithson Tennant证明金刚石是碳的一种结晶形态。从此, 人类开始了人工合成金刚石的探索。20世纪40年代, Percy Bridgm an设计了许多优秀的高压设备 (有的压力超过了5GPa) , 并指出可以用电加热结合高压来合成高质量金刚石。虽然因为没有使用触媒导致未能合成金刚石, 但是他的热力学计算为高温高压合成金刚石提供了理论依据。1954年, Bundy等人以镍做触媒, 使用液压两面顶压机, 经过三年多研究, 成功的合成出了人造金刚石单晶, 并制定了碳的P-T相图, 从此开创了人工合成金刚石的新纪元。
图1为Bundy等人制定的碳的P-T相图, 根据相图存在石墨和金刚石两相, 其中石墨是低压稳定相, 金刚石是高压稳定相。由石墨直接向金刚石转变所需要的压力和温度条件都很高, 一般需要10GPa、3000oC以上的压力和温度。如果有金属触媒的参与 (如Fe、Ni、Mn、Co等以及它们的合金) , 石墨相变为金刚石所需要的条件将大大降低。由图1可以看出, 用金属Ni为触媒, 在压力5.4GPa, 温度1400oC条件下石墨就能转化为金刚石。
目前合成金刚石通常所用的两种方法高温高压 (HPHT) 法和化学气相沉积 (CVD) 法, 下面分别介绍这两种方法目前所达到的水平。
1.1 高温高压法
高温高压法的确切含义是指温度梯度法, 国内也称温度差法, 以下简称HPHT法。该法于1967年由GE公司研究小组首提出, 1971年该研究小组合成出5mm (约1克拉) 黄色单晶金刚石 (Ib型) , 良质晶体生长速度限界2.5mg/h, 随后, 又开发了无色 (Ⅱa型) 和蓝色 (Ⅱb型) 大单晶金刚石的生长技术。由于所使用设备庞大和晶体生长再现性不好而导致合成成本过高, 没有能够形成产业化。
HPHT法生产金刚石目前主要有两种方法, 一种是通过六面顶的方式完成石墨到金刚石的转换, 另外一种是利用90年代初由前苏联科学家Boris Feigelson等人开发的两段式分球压机设备来合成金刚石 (俄文简称BARS) 。
住友电工在HPHT法大单晶金刚石合成技术上达到了目前世界最高水准。他们利用大晶种等技术将晶体生长速度大幅提高, 其中黄色大单晶金刚石的生长速度由通常的2~2.5mg/h提高到12~15mg/h;通过优化触媒成分和提高温度、压力控制精度等, 将无色大单晶的生长速度由通常的1~1.5mg/h提高到6~7mg/h, 优质Ⅱa型单晶最大直径达到10mm;同时金刚石结晶性大幅改善。
Ge m e s is公司专门合成大单晶金刚石, 其合成水平、温度和压力控制精度达到了批量合成宝石级大单晶金刚石的要求。2001年他们成功地合成出黄色大单晶, 2003年首次将经切割打磨过的黄色金刚石推向市场, 目前该公司的人造金刚石饰品已经广泛上市。
目前, 世界上生产采用HPHT方法合成人造金刚石的国家主要有:美国、南非、爱尔兰、瑞典、英国、德国、俄罗斯、乌克兰、亚美尼亚、日本、中国、罗马尼亚、波兰、捷克、朝鲜、希蜡和印度等近20个国家。其中年产量在1亿克拉以上的国家有中国、英国、俄罗斯等。据统计, 2006年我国人造金刚石的年产量达到50亿克拉 (1000吨) 以上。设备主要采用具有自主知识产权的国产六面顶压机, 压机缸径已到750mm, 比较大的金刚石生产厂家有黄河旋风, 中南金刚石等公司。
1.2 CVD法
20世纪50年代末, 用简单热分解化学气相沉积法 (CVD) 合成金刚石分别在前苏联科学院物理化学研究所和美国联合碳化物公司获得成功。20世纪80年代初, 日本国立无机材料研究所完善了前人的研究方法, 发展了热丝化学气相沉积、微波等离子体化学气相沉积等多种低压化学气相沉积法, 在硅、玻璃和各种金属等非金刚石基底表面上生长出了品质优良的多晶金刚石薄膜, 从而使低压气相生长金刚石薄膜技术取得了突破性的进展, 在全世界掀起了CVD方法合成金刚石薄膜的研究热潮, 并推动了金刚石在电子学领域的应用。到目前为止, 人们已经可以用多种不同CVD方法低压合成金刚石, 如热丝法、直流毫弧等离子体法、射频等离子体法、微波等离子体法、燃烧火焰法、化学输运反应法、激光激发法等。
美国阿波罗金刚石公司 (Apollo Diamond, 以下简称阿波罗) 1996年发现了CVD法合成无色单晶金刚石的条件, 于1999年申请并于2003年获得美国专利。2003年阿波罗生长出边长10mm见方的无色单晶金刚石晶片并开始在市场销售由晶片切割抛光而成的首饰用金刚石。2005年阿波罗能够生长出约2克拉的单晶金刚石, 生长速度达到每周5克拉, 经切割打磨后成为首饰用金刚石, 单颗重量达到0.25~1克拉。美国卡内基地质物理实验室于1998年开始CVD单晶金刚石合成技术的开发。2004年生长出对角长l0mm, 厚4.5mm的单晶金刚石, 生长速度100μm/h, 最高速度达到300μm/h。所得到的单晶呈褐色, 经高温高压处理后变为无色。2005年生长出10克拉的透明单晶金刚石, 并且能直接生长近无色、蓝色和黄色大单晶, 无需高温高压处理。元素6 (Element Six) 公司于2002年用CVD方法生长出单晶金刚石, 2004年合成出5mm见方的单晶金刚石晶片, 并能够生产边长4.5mm的无色单晶金刚石晶片, 晶片的主长方面为 (110) 面, 根据晶体的尺寸、颜色和净度判断在CVD单晶合成方面他们已经达到很高的水准。
目前, 微波法气相沉积技术 (MPCVD) 最为成熟, 但是微波法生成技术要求高, 对操作者的技能要求比较苛刻。目前, 微波法生成金刚石的微波源功率最高已达到100KW, 并由日本和德国生产。
与HPHT法相比, CVD法的主要优点在于:1) 金刚石纯度高。在HPHT法中, 金刚石在熔融的触媒里面生长, 构成触媒的金属原子或多或少会进入金刚石晶格。而在CVD法中, 只要使用高纯度气体, 原则上就能够生长高纯度金刚石。2) 生长大型单晶金刚石成为可能。CVD装置属于一种真空设备, 大型化不存在困难。目前用CVD法来生长大单晶需要使用大单晶晶片做晶种, 晶种有多大就能生长多大的大单晶。但卡内基地质物理实验室已经能够让金刚石方晶在6个 (100) 面上同时生长, 所以晶种尺寸并不构成合成大型单晶金刚石的实质性障碍。设备的大型化, 不但可能使单晶金刚石的尺寸得到扩大, 而且也可以实现一次生长多颗单晶, 使生产成本大幅度降低。
2 金刚石的用途
金刚石由于集众多优异性能于一身, 因此可以广泛应用于矿山开采、石材切割、基础设施建设、房屋维修、机械加工、地质钻探、光学仪器;随着科技水平的提高, 人造金刚石还成为了微电子、光电子、通讯、航天、宇航等高科技领域不可替代的关键材料。
2.1 切削材料
金刚石作为一种切削材料主要是利用它的超硬特性, 以及它所兼备的高热传导率、高耐磨性、化学稳定性、低膨胀率和它与被切削材料之间的低摩擦系数。
精密或超精密车刀是大单晶金刚石作为切削材料的一种成功应用。大单晶金刚石车刀配合高精密车床已经实现最低加工表面粗糙度Ra0.02微米的镜面加工。单晶金刚石车刀在精密或超精密机械加工领域具有重要地位, 广泛用来加工原子核反应堆及精密光学仪器的反射镜、计算机硬盘、导弹或太空飞行器的导航陀螺和加速器电子枪等超精密镜面零件, 也可以用来加工复印机滚筒、隐形眼镜等日常办公或生活用品。
2.2 光学材料
除部分近红外, 金刚石具有从X射线到微波整个波段高的透过率, 兼备高硬度、高热导率、高化学稳定性和低膨胀系数, 是一种优异的光学材料。用人造Ⅱa型金刚石做成的窗口已经用于快速傅立叶变换红外光谱分析, 因为金刚石耐酸、耐碱和耐溶剂, 扩大了分析样品的种类。另外, 用两片金刚石晶片可以做成可加压的红外窗口, 加压压强达到100MPa, 扩大了分析样品的硬度范围。用单晶金刚石可以做成红外摄像系统的窗口, 具有特别的军事用途。
大单晶金刚石还能做成大功率激光器的窗口, 激光透过率高, 耐高温和耐热震, 使得激光器的输出功率得到大幅度的提高。大单晶金刚石做成的镜头可以在苛刻条件下工作。打磨成光亮型的大单晶金刚石做成金刚石对顶砧, 与激光加热、拉曼光谱以及X光衍射等手段联合使用可以用来研究极端高温高压条件下的材料物性, 是地质学和行星科学的基本研究手段。
2.3 半导体及电子器件
金刚石具有宽的带隙, 以及强固的sp3化学键, 能将碳原子牢固地锁定在晶格上不易受撞击而离位, 金刚石可制成在宇航飞船和原子能反应堆等强辐射环境中正常工作的耐辐射器件。金刚石具有高的电子、空穴迁移率、高的击穿电压、高的热传导率、掺杂可半导体化, 是一种很有希望的高温半导体材料。尽管金刚石半导体蕴藏着巨大的潜力, 但真正制成金刚石半导体还面临着巨大挑战, 基本的困难在于还没有找到合适的办法来制成n型半导体, 欧洲和日本已经投入大量资金来开发金刚石半导体。
2.4 首饰
人造金刚石在物理上和化学上是百分之百的金刚石。人造大单晶金刚石, 现在已经达到与天然金刚石相媲美, 甚至比天然金刚石还要完美的程度, 以至于珠宝专家仅凭肉眼或是借助低倍放大镜已经无法区别。无论是用CVD法还是HPHT法, 人们除了能合成黄色和无色的金刚石之外, 还能够合成天然金刚石中极为稀少的蓝色和粉色金刚石。
3 结语
目前全球人造金刚石产量超过50亿克拉, 我国虽然占世界产量的60%~70%, 但产品品级还属于中、低档, 品种单一, 售价较低。产品性能与质量水平不高, 大颗粒、高品级的金刚石仍需大量进口。同世界先进水平相比, 我国人造金刚石无论是在品种、系列, 还是金刚石的质量及应用方面都存在一定差距。
大单晶金刚石合成技术的巨大成功有力地推动了大单晶金刚石应用及市场的发展。随着大单品金刚石合成技术的进一步提高和成本下降, 金刚石的应用范围和市场将会迅速扩大, 尤其是一旦金刚石半导体研制成功, 人类将迎来继钢铁时代和单晶硅时代后的更为辉煌的金刚石时代, 现在我们已经看到了这个新时代的黎明曙光。我国金刚石行业在磨料级金刚石合成方面取得了巨大成功之后, 再次面临在以大单晶金刚石合成为代表的新技术开发方面的落后局面。目前, 国内有为数不多的几家科研院所正在进行大单晶人造金刚石的合成研究, 这就需要我们广泛借鉴已有技术, 深入钻研, 立足于自主开发, 尽早提高我国高品质金刚石的生产水平。
参考文献
[1]R.H.Wentorf Jr.Some studies of Diamond Growth Rates.J.Phys.Chem.1971, 75 (12) :1833-1837.
[2]F.P.Bundy, H.T.Hall, H.M.Strong, et al.Man-made diamonds.Na-ture1955, 176:51-55.
金刚石生物技术 篇9
2、加入强碳粉末元素, 提高金刚石把持力。在金刚石锯片加工过程中, 刀头胎体如果对金刚石有好的把持力, 金刚石则会出刃良好, 不会过早脱落, 切割时锋利, 效率高。
3、改进金刚石的粒度配比。传统配比中, 刀头要锋利些, 多用些粗粒金刚石, 反之则用细粒金刚石。
4、采用超细粉末和预合金粉末。超细粉末有利于降低烧结温度, 提高胎体硬度。
5、在胎体粉末中添加适量稀土元素 (如稀土镧、铈等) , 能明显降低结合剂的磨损性能, 提高金刚石锯片的切割效率。
6、采用冷压一热烧结工艺, 进行真空保护气氛烧结。通过冷压后再进行烧结的刀头在锯切过程中表现非常锋利, 生产效率提高很多, 而真空保护气氛烧结可防止粉末氧化, 活化烧结, 既提高了刀头性能, 又延长了石墨模具的寿命, 还能降低生产成本。
7、正确的焊接工艺, 时下金刚石圆锯片都采用高频焊机来焊接, 应采用高强度, 渗透性好的银焊片来进行焊接加工生产。
金刚石生物技术 篇10
1 HPHT金刚石发展的局限性
在上世纪40年代, 科技界曾一度刮起研制人造金刚石的热潮, 但均未能成功, 不过都一致认为金刚石只有在极高压力条件下才能处于热力学稳定态, 从而认为只有在高温高压条件下才能合成金刚石。在此期间, 美国G.E.公司一直致力于高温高压法合成金刚石的研究, 终于在1954年宣布成功并取得专利权。其实在1953年瑞典通用电器公司 (ASEA) 已经用高温高压法合成金刚石。1956年HPHT金刚石在G.E.公司投产。1960年De Beers公司在南非建厂商业化生产HPHT金刚石。工业金刚石从此进入了新的 发展阶段。迄今高温高压合成金刚石的方法已成为工业金刚石的主要 (不是重要) 生产方法。目前全球HPHT金刚石的年产量超过300吨, 是制造切削和磨削加工工具的重要原材料, 广泛应用于机械、油气钻井、采矿、石材和建筑等行业。但是, HPHT金刚石的粒度、纯度、可加工性、成形性以及物理化学性质的可调性等都远不能满足现代工业特别是军工与高端科技发展之需。就技术而论, 高温高压法可以生产出3mm以上的大颗粒金刚石, 但从经济上并说不可取。原因是工艺过程难控、周期长、再现率差、成本高。高温高压法合成金刚石需用金属触媒, 其原子不可避免会渗入金刚石晶体内以杂质的形式存在而影响其纯度。因此在某些应用领域HPHT金刚石无法取代天然金刚石。HPHT金刚石和天然金刚石一样具有极高的硬度, 它的这一优点也恰恰是它的缺点, 因为极难加工成所需形状。再者, HPHT金刚石难于形成较大面积薄膜或片状, 物理化学性质也难于调节, 从而限制了其应用范围。鉴于以上种种原因, 工业金刚石的发展必须另辟蹊径, CVD金刚石也就应运而生。
2 CVD金刚石的进展历程
据传在上世纪40年代, 德国人曾试图用氧乙炔焰合成金刚石, 但没有得到证实。在50年代另一科学家H.Meinke进行了一系列试验, 用碳极电弧生成金刚石, 但没有引起广泛关注。有文字记载的是1952年美国联合碳化物公司 (Union Carbide Corporation) W.G.Eversole尝试过在低压条件下生长金刚石的方法。1951至1956年间, G.E.公司曾着手以低压方法在金刚石种晶上沉积生长金刚石, 因无显著效果而放弃。60年代, 美国凯斯西保留地大学 (Case Western Reserve University) J.C.Angus继承上述Eversole开创的工作在工艺上取得显著进展, 掌握了可引起金刚石生长的化学物质。
苏联莫斯科物理化学研究所于1956年开始研究CVD技术生长金刚石, 到1968年才公布有关资料。嗣后于1976年在非金刚石基片上进行金刚石成核试验取得成功。
日本国立无机材料研究所 (NIRIM) 1974年开始研究低温快速生长金刚石的方法。1981年用热丝法 (hot filament process) 激化甲烷与氢的混合物生长金刚石取得进展, 生长速度达到undefined。
上述令人振奋的进展引起了一些国家对CVD金刚石在工业上应用前景的关注, 尤其是美国, 到上世纪80年代末已有30多家公司投资研究CVD金刚石及其商业化生产的可能性。与此同时, De Beers公司在南非建立了第二金刚石研究实验室并于1989年生产出CVD金刚石制品。到了90年代中期, 许多美国公司在CVD金刚石的研制中由于收效甚微而纷纷撤资下马。不过, 1990年成立的Apollo公司一开始就着眼于用CVD技术沉积生长高纯度宝石级金刚石并且取得突破, 嗣后又扩展至CVD金刚石在工业和科技中应用的研究。随后, 以开发应用CVD金刚石各种优异性能为宗旨的SP3公司于1993年成立。该公司生产的CVD金刚石用于热控元件、切削工具和金刚石镀层技术等, 采用的是自行研制的热丝化学气相沉积 (Hot Filament CVD) 装置。在此期间, De Beers和许多欧洲的大学研究机构一直坚持对CVD技术的研究。De Beers意识到CVD金刚石的最大优点是可以沉积生长成大块度、可以形成所需的几何形状、可以具有设定的特性。为此, 该公司于90年代末改变了发展工业金刚石的重点研究方向, 由大力研究高温高压合成大颗粒人造金刚石转向大力研发CVD金刚石。遂在英国设立了CVD金刚石研究中心, 并相继建立了数个CVD金刚石及其制品的专业生产厂, 还在荷兰设立了销售中心。2002年, De Beers在《科学》期刊上发表了有关CVD金刚石的电子学性能的论文, 再次引发了各工业发达国家特别是美国对CVD金刚石在工业和高科技应用潜势的关注。就在这一年, De Beers更名为元素6公司 (Element Six) , 并增建生产设施, 扩大其工业金刚石产能。
美国是工业发达大国, 也是工业金刚石的消耗大国, 然而它又是天然金刚石资源奇缺的国家。美国对工业金刚石的需求主要是在制造业与建筑业, 特别是国家高速公路网的建设与维修每年要耗用大量工业金刚石。而美国军工与空间技术 (宇航与导弹等) 的发展对大块度工业金刚石的需求有增无减。为此美国常年重金购置与储备相当数量的优质天然金刚石。从战略考量, 不掌控大块度工业金刚石必将处于军备竞争与高端科技发展的劣势地位。2003年, 美国Apollo公司研究过各种CVD技术, 包括热丝 (hot filament) 、直流电弧等离子 (D.C.plasma) 、射频等离子 (R.F.plasma) 和微波等离子 (microwave plasma) 技术。2004年生长出CVD金刚石单晶体作为人造宝石供应市场。2005年生产出具有优良光学、电学和力学性质的CVD金刚石应用于工业和高科技, 并取得有关可控CVD金刚石结构的专利权。此时美国已注意到CVD金刚石的重大应用潜力还在高速电子计算机技术方面。高速电子计算机是发展军工和尖端科技的重要手段。CVD金刚石作为现代半导体的实用材料必须生长成大尺寸的晶片。此后, Apollo公司致力于高纯度大尺寸CVD金刚石的研制。
还应提到的是, 2003年12月成立的美国先进金刚石技术公司 (Advanced Diamond Technologies Inc.) 。其初衷是将美国阿贡国家实验室 (Argonne National Laboratory) 的UNCD技术付诸产业化。所谓UNCD技术即超纳米结晶金刚石薄膜 (ultrananocrystalline diamond film) 技术。它可以控制调节金刚石薄膜的性能并使之具有可重复生产性, 因而在现代工业和科技中具有广泛而重要的应用。阿贡国家实验室是美国能源部属下历史最久和最大的科学与工程研究实验室, 设有纳米材料研究中心。ADT公司是阿贡实验室投资组合许可证持有者, 有权使用与处理有关应用、合成和精密加工UNCD薄膜的发明专利。此外, ADT公司还与美国国防部防巩署 (DTRA) 签定为期3年的合同研制用于实时检测水基化学物与生物制剂的金刚石传感器, 从而开拓了CVD金刚石的全新应用领域。
2004年美国卡内基研究所物理实验室 (Carnegie Institution Geophysical Laboratary) 宣布采用特殊CVD技术以较快的生长速度生成金刚石晶体。据称在一天时间内即生长出宝石级金刚石晶体, 生长速度比以前用的其它方法提高100倍, 认为这是生产新型工业金刚石的新途径。同年6月, 美国SP3公司成立了两个子公司:SP3金刚石技术公司 (SP3 Diamond Technologies Inc.) 和SP3切削工具公司 (SP3 Cutting Tools Inc.) 。前者以其专有的热丝CVD技术生产出性质稳定而成本效益好的CVD金刚石, 并向市场提供热丝CVD反应装置及技术资讯服务。据报道, 印度一家技术研究所已向该公司订购650型的热丝CVD反应装置用以装备它的纳米功能材料技术中心 (NFMTC) 。
目前国际上许多研究机构都在围绕新型的CVD金刚石及其应用领域竞相研究攻克技术上的一系列难题。随着CVD金刚石在核聚变、大功率激光器、超高速计算技术等高科技中应用的突破, CVD金刚石的光学、热学、力学、电子学、电化学等的优异综合性能正被全面开发。CVD金刚石的广泛应用标志着工业金刚石的发展进入了第二个里程碑。
3 CVD金刚石合成技术
从化学上说, CVD是用一种气体或混合气体在某种基片上沉积固态材料的多用途方法。它广泛应用于半导体元件与机械零件耐磨镀层的制作。
用CVD技术沉积生长金刚石是在1至200托的低压中进行的, 原始材料为氢和碳氢化合物如甲烷。碳氢化合物是合成金刚石的碳源。在合成过程中氢起关键作用。但氢必须以氢自由基的形式出现。所谓氢自由基实质即高度活化的氢原子。获取氢自由基是一个十分耗能的过程。可产生大量氢自由基的能量来源有热丝 (hot fila ment) 、电弧喷射 (arc jet) 、微波 (microwave) 甚至喷焰 (blowtorch) 等。目前应用于沉积生长金刚石薄膜的主要CVD技术有4种:热丝化学气相沉积 (hot filament CVD) 、直流电弧等离子化学气相沉积 (D.C.plasma CVD) 、射频等离子化学气相沉积 (R.F.plasma CVD) 和微波等离子化学气相沉积 (microwave plasma CVD) 。共中用得最多的是热丝法和微波等离子法。
应指出的是, 并非具备了碳源和激化能源就可以有效而经济地沉积生长出金刚石, 还必须满足一系列的沉积生长条件。沉积生长的金刚石晶体结构形态对生长条件十分敏感。元素6公司对微波等离子CVD技术进行了研究改进, 目前用于生产CVD金刚石的主要手段是微波等离子增强型CVD技术。在该系统中, 基片坐落于反应气体流经的反应腔内, 由微波激化氢与碳氢化合物的混合物而形成等离子体, 在基片的上方产生氢自由基。为了确保金刚石的生长质量, 基片的温度要保持在undefined至undefined之间。基片上有小金刚石晶粒的存在有利于加速成核作用。通常合成金刚石的化学气相沉积技术既可以沉积生长单晶质金刚石也可以沉积生长聚晶质金刚石, 关键在于基片材质的选择。对于单晶质金刚石来说, 须用单晶金刚石作基片, 新生金刚石膜是外延生长的, 其晶格结构与取向完全与基片相同。而对于聚晶质金刚石的沉积生长来说, 则用非金刚石基片, 主要有硅、碳化硅以及钼或钨等金属的碳化物。在此基片表面上散播小颗粒金刚石可促进成核作用。在金刚石不同的结晶方向上, 生长速度不同。生长快的则逐渐形成层, 使绝大多数晶粒取向于一定的结晶方向, 或多或少平行于生长方向。因此沉积生长的单晶质或聚晶质CVD金刚石表面不是十分光滑的, 需经表面磨光加工才能成为有用之材。
4 CVD技术的发展趋势
CVD金刚石投入工业化生产的十多年来, 其质量和性能远未达到所期望的要求, 也就是说还不能完全满足现代工业和高科技发展的需求。当前, CVD技术面临的最大挑战就是如何在确保CVD金刚石质量的前提下尽量提高CVD速度而又不致于增加生产成本。
4.1 提高CVD速度
CVD速度是关乎CVD金刚石生产成本的问题。就单纯沉积生长速度而言, 用燃焰法 (combustion method) 沉积生长金刚石的速度可达到100mμ.m/hr至250mμ.m/hr。但是, 这种方法往往使金刚石膜只沉积生长在很小的局部面积上, 而且沉积生长过程不好控制, 因而导致金刚石薄膜的质量较差。与此相反, 使用热丝法 (hot filament method) 或等离子体法 (plasma method) 可沉积生长出高质量的金刚石膜, 但是其沉积生长速度却慢得多, 一般只达到0.1至10mμ.m/hr。有研究者认为, 在保持金刚石膜一定质量的条件下, 经济上可取的沉积生长速度应该是100mμ.m/hr以上。对微波沉积反应装置的研究表明, 其沉积速度与所施加的微波功率成线性关系, 微波功率越大则沉积生长速度越快。目前一般微波反应器的功率大约为5至50kW。正在研制的下一代微波反应器的额定功率可达50至80kW。当然, 额定功率越大, 生产成本也越高。美国SP3公司从事研究降低CVD金刚石生产成本的问题至今已有十余年历史, 据认为热丝CVD技术合成金刚石有利于降低成本。但是在2005年初, 卡内基研究所物理实验室与Alabama大学合作研制成功另一种CVD技术及相关设备, 可生产出10克拉重、1/2英寸厚的单晶质CVD金刚石, 沉积生长速度达到100μm/hr。这种CVD技术实际上就是微波等离子CVD法, 不但可同时沉积生长多个金刚石晶体, 而且其尺寸比实验室用高温高压合成法或其它CVD技术合成的大5倍。元素6公司对微波等离子CVD法情有独钟, 一直在进行研究改进, 目前使用的是微波等离子增强型CVD技术。近年美国也有一家研究机构一直在研制新型的CVD技术, 据称可使CVD金刚石的沉积生长速度超过微波等离子CVD技术的生长速度。从工业金刚石发展战略来看, 这是值得我国工业金刚石研究工作者思考的问题。
4.2 改进CVD金刚石性质
CVD金刚石以二维方式沉积生长, 因此可以较大面积生成薄膜或片状, 而且充分控制其沉积生长过程还可赋予各种物理化学性质, 在力学、磨擦学和电子学性能上可能超过天然金刚石。以单晶质CVD金刚石为例, 控制其沉积生长过程可使它具有超过天然金刚石的电子学特性, 包括电阻率、击穿电压、载流寿命、电子和空穴迁移率以及电荷收集距等。研究表明, 人工合成的单晶质金刚石的性质在很大程度上取决于其晶体内夹杂物的种类和含量。控制这些因素就可改善或改变其性能。所以在CVD金刚石的沉积生长中通过控制 (改变) 其掺入物质的种类和数量即可获得具有不同性能的CVD金刚石。目前已知的可用掺入物质有硼、氮、锂、磷、硫和碳同位素等。它们的共同特点是原子比碳的原子大。因此掺入金刚石内可使金刚石晶格扩张从而改变金刚石的性质。关键还在于如何使这些元素渗透到金刚石晶体中去。除了在晶体生长过程中渗入之外, 还可用扩散法或离子注入法。所谓扩散法即把所需掺入的元素以气态或固态或液态之形式置于金刚石表面之上, 借助热能或电场能使其原子移植入金刚石晶体内, 植入的深度与密度决定于温度、时间和元素种类。所谓离子注入法就是在高度真空中将所需掺入的元素以离子的形式加速渗入金刚石之内, 渗透深度由加速电压决定。
人工合成的单晶质金刚石的优良性质还取决于其晶体完善程度。通常, CVD金刚石中的缺陷是在它沉积生长初期产生于其侧面上的, 增加其生长厚度可减少晶格中原子位错等缺陷。
应指出的是, 若金刚石掺入物过量而且沉积生长厚度超过临界厚度, 则金刚石会受到张应力, 严重时会在层间发生位错, 有可能使金刚石产生微裂纹。这种位错现象一般会影响到以后所制成的金刚石元器件的功能。
以前CVD金刚石的应用在某些方面受到限制是因为其表面不够光滑, 从而在传播信号时发生衰减和散播现象。而今在CVD金刚石中掺入碳同位素并严格控制其浓度即可消除晶格失配和晶格应变, 从而生产出具有光滑表面的CVD金刚石。这种金刚石不但消除了上述缺陷, 而且免除了用CVD金刚石制作元器件时必须磨光加工的工序。
近十余年来, 无论是单晶质还是聚晶质CVD金刚石沉积生长工艺的研究均取得了长足进展。最近在美国海军研究实验室 (Naval Research Labs) 用X射线貌象技术检测单晶质CVD金刚石的品质表明, 其位错程度极小, 而且在N-V中心检测氮原子自旋寿命表明, 单晶质CVD金刚石的寿命比任何金刚石 (包括天然的和其它人造的金刚石) 的寿命都长。这意味着它可承受更高的工作温度。
目前的工业技术水平已能生产出高质量高纯度的CVD金刚石, 无论在晶体完美程度上还是在透光性方面都可与天然金刚石相媲美, 因此在珠宝行业中CVD金刚石的发展前景无可估量。
迄今, 科学家们对CVD金刚石技术的研究已付出了艰辛的努力, 但对CVD金刚石的许多未知的特异性能却远未全面开发。许多核心技术问题仍有待深入探索研究。
5 展望未来工业金刚石的发展方向
近些年来元素6公司积极参与国际有关高端科技发展前沿的重大研究项目。包括MORGaN, 为应用于强固氮化镓材料的研究, 以CVD金刚石与氮化镓相结合研制下一代用于极端环境下的高性能传感器与电子元器件;MIDDI, 为采用合成单晶金刚石制造下一代高频大功率电子器件的一整套先进的微米级和纳米级精细制造工艺的研究;EQUIND, 为超微结构金刚石控制量子信息的研究, 采用超高纯度CVD金刚石制作量子计算机的基本元件。其目的就是以科研为导向催化CVD金刚石高端产业的发展。而美国ADT公司则应能源部和国防部之要求, 研发CVD金刚石在军事工程、空间技术、谍报器材等方面的应用。两者殊途回归, 都是开拓CVD金刚石在全新领域中的应用。
元素6公司自上世纪80年代末开始研制CVD金刚石以来, 并没有放弃对HPHT合成金刚石的研发。例如最近研制出Ib型单晶质HPHT金刚石片, 最大尺寸可达4.5×4.5mm, 厚0.65mm, 应用于某些机加工和科研工作如成型切削刀具、可控波纹工具、贵金属与木材超精加工和超光洁度加工、压力抛光以及焊丝导向装置的耐磨件等。但是, 元素6公司对HPHT金刚石的研究开发已不再作为战略重点发展来考量。元素6公司作为工业用HPHT金刚石产业的开山鼻祖, 已把HPHT金刚石的开发与产能转移到其它发展中国家。目前它已成为全球最大的CVD金刚石生产企业。
至2007年, 美国也只有两家公司从事生产HPHT金刚石。一是金刚石创新公司 (Diamond Innovations) , 其前身为G.E.公司的超硬材料部;另一家是迈珀金刚石公司 (Mypdiamond) 。生产规模都不大, 产品多应用于传统工业技术。
美国Apollo金刚石公司与卡内基研究所均宣称他们用CVD技术沉积生长的金刚石的硬度均高于天然金刚石和HPHT金刚石。众所公认, CVD金刚石超过天然金刚石和HPHT金刚石的主要优点在于可控制其沉积生长过程, 以不同掺入物的质和量获得不同性质的金刚石, 而且可形成连续金刚石膜用作大面积镀层或形成一定厚度片状金刚石。在工业金刚石的许多应用领域势必取代天然和HPHT金刚石。
上述种种迹象表明, 未来工业金刚石的发展方向应该在CVD技术和CVD金刚石而不是HPHT合成工艺和HPHT金刚石。
参考文献
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[2]http:∥www.apollo diamond.com
[3] www. thindiamond.com
[4]http:∥www.ebcvd.com
[5] U.S.Patent 6858080 Linares, et al.Tunable CVD Diamond structures.
金刚石生物技术 篇11
由于库利南太大，当时没有人能买得起。后来被南非的德兰士瓦地方当局用15万英镑收购。1907年12月9日，为祝贺英王爱德华三世的生日，库利南被当作礼物赠送给了英国皇室。
1908年初，库利南被送到当时琢磨钻石工艺最好的城市——荷兰的阿姆斯特丹，交给约·阿斯查尔公司加工，加工费8万英镑。由于原石太大，须先将其打碎成若干小块，这是一件极其困难的工作，因为如果对原石研究不够或技术欠佳，这块巨大的宝石就会成为一堆没有什么价值的小碎片。
碎石工作由荷兰著名工匠约·阿斯查尔进行。约·阿斯查尔先用了几个星期的时间研究库利南，按它的大小和形状造了一个玻璃模型，并设计了一套专用的加工工具；然后用这些工具对玻璃模型进行试验，结果模型按预想的设计被劈开。经过几天休息，在1908年2月10日这天，他和助手来到专门的工作室，将库利南放在一个大钳子里紧紧钳住，然后将一根特制的钢楔放在它上面预先磨出的槽中。约·阿斯查尔用一根棍子敲击钢楔，“啪”的一声，钢楔断了，库利南纹丝不动。约·阿斯查尔脸上淌着冷汗，在紧张得像要爆炸的气氛中，他放上了第二根钢楔，又是“啪”的一声，这一次，库利南完全按照预定计划裂为两半，而约·阿斯查尔却昏倒在了地板上。
库利南被劈开后，由三个熟练的工匠，每天工作14小时，琢磨了8个月，磨出了9粒大钻石和96粒小钻石。这105粒钻石总重量1063．65克拉，为库利南原重量的34.25％。由此可知，金刚石在加工成钻石后，重量损失很大。9粒大钻石中最大的一粒名叫“非洲之星第Ⅰ”，也就是“库利南１号”，重530.2克拉，为水滴形，磨有74个面，它也是迄今世界上最大的钻石，现镶在英国国王的权杖上。次大的一粒叫“非洲之星第Ⅱ”，重317.4克拉，外观方形，磨有64个面，它是迄今世界上第二大钻石，现镶在英帝国王冠下方正中。其它7粒钻石重量分别为94.4、63.6、18.8、11.5、8.8、6.8及4.39克拉。
由库利南磨成的9粒大钻，现全部归英国王室所有，成为了英国皇家宝库中最重要的藏品。其中“库利南第I”和“库利南第Ⅳ”，曾被镶在1911年制成的玛丽王后的王冠上，后又取下归王后收藏，王冠上的则用水晶复制品代替。
金刚石生物技术 篇12
金刚石颗粒生产出来之后需要按照国家标准或国际标准进行分级和选形,不同等级的金刚石具有不同的用途和经济价值,因此金刚石的分选(分级和选形)是金刚石整个生产过程中的重要环节。在进行金刚石分选时,需要测量纯净度、粒径、椭圆度、圆度、颜色等系列特征参数[1],这些特征参数是金刚石质量对比的依据,也是金刚石分级和分选的基础。目前国际上使用的先进的金刚石图像和形貌检测仪器主要有两种,分别是德国制造的Dia Inspect.OSM超硬磨料图像自动分析系统和由瑞士开发的Diashape电脑检测系统,它们能够快速地获得金刚石的各种特征参数,有效地确定金刚石的品级,但是这种设备价格昂贵,测量范围有限[2,3]。 目前国内主要是使用光学显微镜放大20~100倍由人工测量特征参数的方法进行金刚石颗粒品级的鉴定,该方法检测效率低,鉴定结果的主观性大,不能适应金刚石行业发展的需要。随着计算机技术和数字图像处理技术的发展,国内不少研究者将机器视觉技术和数字图像处理技术应用于金刚石特征参数的测量中,实现了金刚石某一项特征参数的测量,如:史长琼等采用改进Canny算法实现了金刚石粒径的自动测量[4];简丽娟等采用Lab VIEW语言实现了金刚石晶体的面积、周长和粒径等尺寸参数测量[5];李银华等用MATLAB在HIS色彩空间仿真实现了金刚石净度的自动检测[6];江国学等采用MATLAB实现了金刚石颗粒数目、面积的测量[7];张秀芳等利用MATLAB软件进行图像处理和相关数值计算,识别出金刚石磨粒的粒度[8];但是这些研究与工程实际应用尚有一段距离。因此,金刚石颗粒特征参数的快速低成本测量技术的研究仍是金刚石行业目前迫切需要解决的问题。
本文采用机器视觉图像处理软件HALCON实现了金刚石颗粒的粒径、圆度、椭圆度、净度等特征参数的测量,粒径的测量精度可以达到亚像素级别。本文的研究为金刚石颗粒特征参数提供了高速、高精度的测量方法。
1样品的采集
实验采用在Nikon Elicpse E200生物显微镜上拍摄的图像进行分析,实验样品是某公司制造的金刚石单晶体。样品图像采集时,显微镜目镜的放大倍数为4X, 物镜的放大倍数为10X。由于金刚石晶体具有透明性及光线反射折射等作用,显微镜下方的光源使得图像的亮度不均匀,中间将出现一个白色区域,如图1(a)所示, 影响特征参数的分析和测量。因此,为了增强图像的对比度,图像采集时,我们把金刚石颗粒放在白色滤光纸上进行检测,同时关闭显微镜下方的照明系统,在上方采用LED光源进行均匀照明,得到的图像如图1(b) 所示。
2金刚石颗粒参数测量中的关键技术
采集图像后,本文采用HALCON图像处理软件进行金刚石颗粒特征参数的测量,测量流程图如图2所示。
2.1图像分割
图像分割是由图像处理到图像分析的关键步骤,其目的是从图像中把目标区域和背景区域分开。图像分割方法主要分以下几类:基于阈值的分割方法、基于区域的分割方法、基于边缘的分割方法以及基于特定理论的分割方法等。其中,基于阈值的分割方法是运算效率较高的方法,也是目前最为常用的方法,它包括全局阈值法(threshold)、动态阈值法(dyn_threshold)、自动阈值法(bin_threshold),等等。全局阈值法和动态阈值法都是“固定阈值法”,它们仅在物体的灰度值和背景的灰度值不变时效果较好,不适合物体自动化检测时的图像处理。自动阈值法不需要人工设置阈值,但是它应用在直方图中存在双峰的情况,且其输入是单通道图像才可能有较好的效果。
本文摄像机采集得到的图像是RGB三通道的彩色图像,需要先用decompose3算子将RGB图像分解成R(红色)、G(绿色)和B(蓝色)三幅单通道图像,然后再用自动阈值算子bin_threshold对R通道图像(或G通道图像)进行图像分割处理。如图3所示的图像是对图1(b) 所示图像的R通道图像的分割结果,可以看出,目标区域从背景区域中较好地分割出来,分割效果较好。
2.2亚像素边缘提取
由图3(a)可以看出,金刚石晶体投影面的各部分被分割成多个不连通的区域,需要将这些彼此分割开的区域合并为一个单一的连通区域,同时去掉一些干扰区域。为解决此问题,我们用区域形态学进行处理。 首先用算子select_shape选择感兴趣的区域(Region Of Interesting,ROI),然后用边长为10的矩形结构元素对ROI进行膨胀操作,此时ROI将合并成一个单一连通区域,最后用算子reduce_domain将该单一连通区域与原始图像进行裁剪处理,裁剪出ROI图像,结果如图3(b)所示。此时,可以用算子threshold_sub_pix从该ROI图像中提取图像轮廓边缘,提取的边缘具有亚像素精度,结果如图3(c)所示。由图可以看出,得到的边缘比较清晰、 完整。
2.3XLD轮廓的处理
提取的亚像素边缘是由多个像素点组成的XLD (e Xtended Line Descriptions)轮廓。由图3(c)可以看出,XLD轮廓中即有金刚石颗粒黄色透明区域的轮廓, 也有不透明区域的外轮廓,同时还包括噪声、杂质等的轮廓,因此,XLD轮廓处理的第一步是用算子select_shape_ xld选择出测量对象是黄色区域轮廓还是颗粒外轮廓。
XLD轮廓数据是由大量的轮廓边界点像素信息组成,我们对这些点的像素信息并不感兴趣,只对由这些像素点拟合成的几何图形及其特征参数感兴趣,因此XLD轮廓处理的第二步是用算子shape_trans_xld将XLD轮廓转换为凸包。图3(d)所示中的多边形是由图3(c)中的XLD轮廓转换的XLD凸包。
2.4金刚石特征参数的测量
得到XLD凸包后,分别对XLD凸包进行分割和拟合,得到多边形的边长、面积等参数,便可实现金刚石特征参数的测量。
2.4.1粒径的测量
金刚石粒径是描述金刚石性能的重要参数。工业上,单颗金刚石粒径是指在某一视场中,与金刚石投影面积相同的圆的直径[10]。因此,测量粒径时,需要用算子area_center_xld求得XLD凸包的面积,该面积即为金刚石的投影面积S,则与金刚石之表面积S相等的圆的直径可由公式计算得到。
2.4.2圆度的测量
工业金刚石的圆度是用金刚石颗粒投影面的周长与金刚石投影面积相等之圆的周长之比表示。因此,圆度的测量需要计算金刚石颗粒投影面的周长和面积两个参数。
金刚石颗粒投影面周长的检测方法为:首先用算子segment_contours_xld将XLD凸包分割为线段轮廓,然后用算子select_contours_xld选择凸包中属于金刚石边缘的有效轮廓,并用算子fit_line_contour_xld对有效轮廓采用tukey权重函数进行拟合,得到金刚石轮廓各边的拟合直线和各拟合直线的首尾端点坐标。将每条拟合直线的首尾端点坐标保存到数组中,最后用算子distance_pp计算出XLD多边形轮廓的各边边长,各边边长之和即为金刚石颗粒投影面的周长。
与金刚石投影面积相同的圆的周长P可由公式计算得到。其中, S是金刚石的投影面积,用算子area_center_xld测得的XLD凸包的面积。
2.4.3椭圆度的检测
金刚石晶体的短轴和长轴之比称之为椭圆度。用算子inner_circle对XLD凸包进行拟合得到其最大内切圆, 该最大内切圆直径的大小即为金刚石晶体的短轴。用算子shape_trans_xld对XLD凸包进行拟合得到其最小外接圆,该最小外接圆直径即为即为金刚石晶体的短轴。
XLD凸包拟合的最大内切圆和最小外接圆如图4所示。
2.4.4净度的测量
金刚石的净度由杂质投影面积与金刚石投影面积之百分比表示。杂质的颜色与金刚石晶体的颜色差异是识别金刚石净度的重要依据。用算子threshold分割出黄色透明区域中的杂质区域,然后用算子area_center计算杂质和XLD凸包的面积,二者之百分比为金刚石的净度。
2.4.5透度和明亮度
用算子area_center测量出黄色区域的面积,该面积与XLD凸包的面积的百分比作为金刚石透光度度量指标,该指标表示了金刚石颗粒的成色,直观地表征了金刚石的质量。
用算子intensity计算黄色区域的灰度平均值,该值是金刚石颗粒明亮度的评定指标。
3实验结果和分析
为了验证本文所述方法的普适性,对一些金刚石颗粒样品进行了验证测量,表1是其中几个典型样品的测量结果。拍摄前对图像采集系统进行了标定和坐标系的转换,图像大小为768pixel×576pixel。每个样品的计算机处理时间为160ms左右。
在表1中,代号一栏是人工进行金刚石分选时给出的标号,其中字母“D”代表大单晶,第一位数字表示净度的等级,第二位数字表示形状的分级,第三、四位数字表示其粒度的大小,第五、六位数字表示其厚度大小。
由表1可以看出:1)图像分析得到的XLD轮廓较好地反映了金刚石的形状,可以根据XLD轮廓的边数和各边边长的比例关系进行形状分类,如果为正方形则为1类,接近正方形为2类,多边形为3类。2)可以快速、 准确地测量出金刚石颗粒粒径大小,测量的精度可以达到亚像素级别。经过多次实验表明,测量结果稳健可靠。3)在进行金刚石净度分级时,目前大多采用经验定性地进行判断,结果不可靠。本文将杂质投影面积与金刚石投影面积之百分比定量地测量出了金刚石颗粒的净度,并依此作为净度分级的依据,方法科学、直观。 4)简单方便地测量出了圆度、椭圆度、透度、灰度等参数值,为有效地确定金刚石的品级提供了科学依据。
4结论
金刚石特征参数是金刚石质量对比的依据。本文基于机器视觉技术研究了金刚石颗粒特征参数的自动测量方法,给出了采用机器视觉图像处理软件HALCON进行图像分析的关键步骤和方法,实现了粒径、椭圆度、 圆度、净度、形状等特征参数的快速、准确测量,为有效地确定金刚石的品级提供了依据。对一些金刚石颗粒样品进行验证测量,结果表明,采用本文所述方法,可以简单而快速地获得金刚石的各种特征参数,测量的精度可以达到亚像素级别,测量结果与人工检验结果相吻合。本文的研究为金刚石颗粒自动分选系统的搭建提供了技术支撑。
摘要：基于机器视觉技术研究了金刚石颗粒特征参数的自动测量方法,给出了采用机器视觉图像处理软件HALCON测量粒径、圆度、椭圆度、净度、形状等特征参数的关键步骤。最后对一些金刚石颗粒样品进行了实例测量,结果表明,采用文章所述方法,可以简单快速地获得金刚石的各种特征参数,粒径的测量精度可以达到亚像素级别,测量结果稳健可靠。