摘 要:阐述单晶金刚石在高端技术领域的应用,包括微型超精金刚石切削工具如加工成形随意曲率超细槽的方形立铣刀,用于三维表面微凹坑和任意曲率面加工的超精纳微型球形立铣刀,以剃削和快速切削加工直线超细槽的切削工具,此外还有人造单晶金刚石制作的高压水力喷射切割装置的喷射喉管,以及单晶金刚石制作的微型光学元件,并述及大单晶CVD金刚石的潜在用途。
关键词:单晶金刚石;应用;综述;高端技术;微型超精切削工具;高压水力喷射切割装置;微型光学元件;大单晶CVD金刚石
引言
2005年10月在西班牙巴塞罗纳举行的第一届工业金刚石会议引起了全球金刚石行业的广泛关注。从会议交流的论文不难看出,技术进步和技术创新对工业金刚石行业发展的重要性。当今世界工业金刚石的发展有两大趋势:一是合成超大金刚石并研制超过金刚石硬度的超硬材料即超金刚石;二是研究特殊用途的金刚石工具和特殊用途的金刚石元件及其加工技术。众所周知,金刚石是自然界中迄今已知的最硬物质,对金刚石进行加工的困难程度不言而喻。因此,若在新型金刚石的合成中与金刚石的加工技术上有新突破就必然会掌控工业金刚石未来应用的主动权从而开拓工业金刚石在前沿科技领域的潜在用途。 第一届工业金刚石国际会议的议题涉及的范围广泛,其中单晶金刚石在高端技术领域的应用值得瞩目。
1用单晶金刚石制作微型超精切削工具
近些年来在光学电子器件的生产中,用超精金刚石切削工具进行微切加工起到至关重要的作用。这是因为某些光学电子器件正向着高功能化和微型的方向发展。超精金刚石切削工具的传统应用主要是激光反射镜、红外线透镜、DVD拾感头透镜等的加工。光学电子器件中有些塑料元件是用金属模具压制的。这种金属模具的加工要求达到亚微米级成形精度和纳米级表面光洁度。此外,加工的元器件不只是平面和圆柱形,还有要求达到微米级精度的三维空间形状。因此,超精三维加工用金刚石铣刀是近些年来微型机床和生物医学上不可或缺的加工工具。
金刚石用作切削工具是因为它具有一系列优异性质。超精切削工具正是利用了金刚石的硬度、热导性和可形成锐利刀刃的特性。目前已研制出世界上最小的超精金刚石切削工,是采用单晶金刚石制作的。它之所以能进行高精度三维形状加工和镜面加工,关键在于十分锋利且经久耐磨的刀刃,刃锋的平滑度与轮廓精度要求十分严格,刃锋的平滑度要达到纳米级,刃尖圆度半径只有10纳米左右。目前应用的微型超精金刚石切削工具有下列三种。
1.1 超精纳微方形立铣刀
这种立铣刀是用一颗单晶金刚石制成,刀刃宽15um,厚4um,旋转直径30um,是目前世界上最小的立铣刀。其用途是加工光学元件、医用刀片以及微型机床零件上的三维曲线槽,特别是加工成形随意曲率的超细槽。
1.2 超精纳微球形立铣刀
在信息技术相关的领域,高速大信息容量的基础元件发展迅速。例如微距镜组。它是一组微型凸透镜和凹透镜在三维空间的组合,近些年来一直用于光通讯和液晶投影装置。
超精纳微球形立铣刀被用于三维表面微凹坑和随意曲率面的加工,例如微距镜组模子的加工等。这种球形立铣刀的弧形半径可以做到R30um,是世界上最小的球形立铣刀,加工精度可达到纳米级。
1.3 超细槽切削工具
这是一种以剃削和快速切削加工超细直线槽的工具,所加工的槽宽只有5um,是目前世界上能加工的最细槽。这种切削工具的典型应用就是全息摄影光学元件模具的成形加工。全息摄影光学元件是一种偏振光分散元件,透镜上有许多超细槽,槽的间距以微米计,利用光的衍射现象能够任意引起光谱衍射和聚光。
随着光电子学的发展,对超细槽的成形加工将会与日俱增。
2用单晶金刚石制作高压水力喷射切 割装置的喷射喉管
2.1 高压水力喷射切割技术的用途
1970年以来高压水力喷射切割一直是一种专门技术应用于各工业部门。起初是用于切割软质材料如食品、纸、橡胶、泡沫塑料等,嗣后随着工业技术的发展,将微粒磨料如金刚砂混合到高压水射流中形成磨料水力喷射技术,可切割任何坚硬材料如玻璃、石材、复合材料和金属等,可将厚达200mm的金属切割成任何形状。
此外,高压水力喷射还可用于物体表面预加工或处理,如清洁船体、去除表面硬质涂层等。就切割技术而论,目前还没有一种切割技术像高压水力喷射切割那样能够切割或加工从软质到硬质如此多样的材料,与激光切割技术相比其成本更低廉,就其功能而言,比传统金属切割机更优越,因为切割过程中工件仍保持冷态,不产生热应力。因此水力喷射切割技术备受重视而发展迅速。
2.2 工作原理
磨料水力喷射切割的工作原理是将水加压到很高的压力迫使它流经喷射喉管时与磨料混合而从喷嘴高速喷出。
将水加压到300至400MPa并迫使它流经孔径为0.1至0.4mm的喷射喉管时形成高速射流,速度达到770至880m/s,在混合腔与磨料混合,流经聚流管时,磨料被水射流的动量交换所加速,以500至700m/s的高速喷射到工件上,即可起到切割或加工作用。
水力喷射切割的发展趋势除了达到更高的切割精度之外,主要是提高切割效益。目前磨料水力喷射切割的最大问题是元件的磨损。
高压水力喷射切割工作原理
2.3 喷射管材料的选择
长期以来制作喷射喉管的材料多以蓝宝石或红宝石为主。原因是价格便宜,较易加工,而且可获得稳定的水射流,但使用寿命较短。随着食品、造纸和汽车工业等的蓬勃发展,迫切要求使用寿命长的水力喷射切割装置。因此,也有用天然金刚石制作喷射喉管,但天然金刚石难于选定最佳晶体取向来满足喷射喉管的特殊应力条件,而且价格昂贵,比蓝宝石价格高出20多倍。虽然它的使用寿命较长,但是若内含观察不 到的微裂纹则使用起来风险很大,所以用天然金刚石制作喷射喉管没有得到推广。
最近,国际市场上出现了用人造聚晶金刚石制作的喷射喉管,具有较长使用寿命,价格适中,不过由于合成过程中不可避免在结构上存在缺陷,晶体结构无最佳取向,物理性能较差,有时使用寿命不稳定,所以业内人士认为人造聚晶金刚石不适宜制作磨料水力喷射切割装置用的喷射喉管。
2003年,瑞士应用技术大学热学与流体工程实验室以及MVT公司与元素6公司合作,研究用人造单晶金刚石制作喷射喉管。由元素6公司提供的优质人造单晶金刚石具有很高的纯度,可抑止微裂纹的发生,因而具有很高的横向断裂强度。其物理性能与蓝宝石对比如表1。
表1 优质人造金刚石跟蓝宝石的比较
2.4 人造单晶金刚石制作喷射喉管的优点
人造单晶金刚石制作的喷射喉管在严酷的条件下进行了长时间试验,证明它对磨料或水中杂质甚至金属碎屑都非常抗磨,具有很长的使用寿命。至关重要的是,用人造单晶金刚石制作喷射喉管可选择其最佳晶体取向以满足应力要求。它与天然金刚石制作的射喉管相比,具有以下优点:u使用寿命更长;u高纯度人造单晶金刚石无裂纹、不含杂质、性能可靠;u产品质量有保障;u人造单晶金刚货源充足;u价格有下降趋势。
此外,人造单晶金刚石制作的喷射喉管在长时间工作中可保持射流的流量稳定,因而切割质量可靠。实践证明,它的使用寿命比蓝宝石制作的喷射喉管的使用寿命长15至20倍。毫无疑问,人造单晶金刚石完全可以取代蓝宝石、红宝石和天然金刚石而用于制作喷射喉管。
3用单晶金刚石制作微型光学元件和传感元件
直径在几微米至几百微米的折射微距镜在光通信、光数据存储、数字显示、激光束成形以及高分辨率光蚀技术等具有许多重要用途。以往这种微距镜是用GaN、SiC和ZnO等具有很好光学和电子学性质的宽带隙无机材料制作的。目前这些材料已有可能被性能更优异的金刚石取而代之。因为金刚石不但具有极高的硬度,而且具有很宽的透光带,从220mm到3.12um,热导率也很高,达到2000Wm-1K-1。用天然金刚石制作的微镜片(光学仪器中的透镜、棱镜等)具有极佳的性能,已应用于航天领域。但是天然金刚石资源稀缺而且价格最贵,可望用新一代的单晶CVD 金刚石来替代。