一种纳米金刚石刀具及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种纳米金刚石刀具的制备方法及其应用，所述方法采用金刚石作为原料，除包括切割定型工序、抛光工序和刃口加工工序外，还特别包括在切割定型工序之前进行的预处理工序和在刃口加工工序之后进行的表面修饰工序，其中预处理工序用以尽量消除所述金刚石中的缺陷；表面修饰工序用以在刃口表面形成保护层；在抛光工序中：首先对金刚石刀具基材进行检测以识别金刚石的晶面，然后选取金刚石的（100）晶面或（110）晶面进行后续的抛光，并将抛光后的晶面作为前刀面；刃口加工工序采用保护性刃磨方法或激光定向解理方法。本发明专利技术制成的纳米金刚石刀具能够达到刃口精度为1‑5nm，适于应用于车削、纳米探针和生物切片等领域。

【技术实现步骤摘要】
一种纳米金刚石刀具及其制备方法和应用
本专利技术属于金刚石刀具的制备领域，具体涉及一种纳米金刚石刀具及其制备方法和应用。
技术介绍
目前，在超精密光学器件及超高精密光学器件的加工中，尤其是对于纳米精度的超精密加工，无论是民用还是国防，都占据着越来越重的比例，例如X射线望远镜中掠射镜面要求超精密切削加工同时满足0.2μm轴向形状精度，2μm/1.5m径向圆弧精度和RMS5nm的表面粗糙度；又如计算机硬盘存储器的铝基盘片，其超精密切削加工的表面粗糙度越低，存储容量就越大，磁头读盘速率也就越高；另外，在CCD、数码相机、激光打印机和复印机的光学系统中，平面、球面和非球面反射镜、透镜(如菲涅耳透镜)及其它光学微结构表面的加工精度会影响整个光学系统的反射率、透射率和成像误差；再如医学和生物学研究专用的金刚石切片刀切削刃钝圆半径要小于50nm且无崩口，才能实现超薄、无断痕的切片。要获得零件形状尺寸的高精度和加工表面的超光滑，除了必须拥有超精密的机床、高分辨率的检测仪器和超稳定的加工环境条件以外，还须具备进行切削加工的高精度金刚石刀具。虽然金刚石是我们已知的超硬材料，其具有许多优异的性能，如最高的硬度，最好的耐磨性等；但同时，正是由于金刚石晶体以其独有的高硬度、耐磨损、难焊接等特点，又使得金刚石刀具的制备比较困难。而随着民用或者军事等方面对型号精度、可靠性、命中率以及使用寿命等指标的不断提高，我国的金刚石刀具生产要求还未达到理想水平。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有技术的不足，提供一种改进的纳米金刚石刀具的制备方法，该方法制成的纳米金刚石刀具能够达到刃口精度为1-5nm。本专利技术同时还提供一种上述方法制成的纳米金刚石刀具。本专利技术同时还提供了一种上述制成的纳米金刚石刀具在超高精密车削、纳米探针和生物切片中的应用。为达到上述目的，本专利技术采用的一种技术方案是：一种纳米金刚石刀具的制备方法，所述制备方法采用金刚石作为原料，包括制备金刚石刀具基材的切割定型工序、对所述金刚石刀具基材进行抛光的抛光工序和在所述金刚石刀具基材上形成刃口的刃口加工工序，所述方法还包括在所述切割定型工序之前进行的预处理工序和在所述刃口加工工序之后进行的表面修饰工序，其中：所述预处理工序用以尽量消除所述金刚石中的缺陷，所述缺陷包括应力缺陷和结构缺陷；所述表面修饰工序用以在所述的刃口表面形成保护层；所述抛光工序中：首先对所述金刚石刀具基材进行检测以识别金刚石的晶面，然后选取金刚石的（100）晶面或（110）晶面进行后续的抛光，并将抛光后的晶面作为前刀面，根据所述前刀面确定形成所述刃口的后刀面；所述刃口加工工序采用保护性刃磨方法或激光定向解理方法，所述保护性刃磨方法包括：先在所述前刀面上形成临时保护涂层，之后对所述后刀面进行刃磨，再去除所述临时保护涂层，以形成所述刃口；所述激光定向解理方法包括：对抛光后的所述金刚石刀具基材施加激光辐照使其内部产生平行于所述前刀面的sp2结构石墨层，以及进一步解离形成所述刃口。进一步地，所述切割定型工序为采用激光切割进行，切割定型后的所述金刚石刀具基材的面积为0.25-2500mm2，所述激光切割的功率为大于0小于等于5kW，波长为190-1200nm；进一步地，制备金刚石刀具基材的所述金刚石选自天然金刚石、聚晶金刚石、多晶厚膜金刚石、化学气相沉积单晶金刚石、高温高压单晶金刚石以及孪晶金刚石。进一步地，所述预处理工序包括：采用应力显微镜、X射线透射确定金刚石的应力缺陷以及结构缺陷的数量和大小，所述结构缺陷包括空洞缺陷和微裂纹缺陷，然后采用选自如下工艺中的一种或多种的组合进行处理：热处理：将金刚石在惰性气体条件下，升温至400-700℃，保温5-120h，退火，消除金刚石应力；其中，所述惰性气体包括但不限于二氧化碳、氩气、氮气等，纯度大于99.99%；冷处理：将金刚石放置液氮（不高于零下196度）条件下，保温12-120h，消除金刚石应力；热压处理：将金刚石放置0-130MPa等静压容器内，加温0-200℃，保温、保压12-120h，消除金刚石微裂纹及应力。本专利技术中，所述的“用以尽量消除所述金刚石中的缺陷”是指在本专利技术预处理工序条件下，所能够做到的最大限度地消除。进一步地，所述表面修饰工序中，在所述的刃口表面形成的所述保护层为防氧化增韧保护层或防冲击保护层，其中：进一步地，所述防氧化增韧保护层的膜层种类为碳化硅、氮化硅或氟碳氮化硅；进一步地，所述防冲击保护层由具有憎水和憎油性能的氟硅烷涂覆在所述刃口表面上制成，氟硅烷具有良好的憎水（与水润湿角大于108度）、憎油（与油的润湿角大于78度）性能，且可以与碳化硅、氮化硅及氟氮碳化硅具有良好的接触性能。进一步地，所述防氧化增韧保护层采用等离子体气相化学沉积法（包括热丝等离子体、微波等离子体，等）制成，所述等离子体气相化学沉积法中：气压为0.1-10kPa，沉积时间为10s-1h；沉积气体为选自硅烷、四氟化硅、氧气、甲烷、丙酮、乙醇、氨气和氩气中的一种或多种的组合，沉积厚度0.1nm-10nm。进一步地，所述沉积气体由四氟化硅和氢气组成，或，所述沉积气体由体积比为10：0.001-0.1：0.1-10：1-200：1-2000的硅烷、氧气、甲烷或丙酮或乙醇、氨气和氩气构成。进一步地，所述抛光工序中：采用选自肉眼观察、激光测试法和X射线衍射法中的一种或多种对所述金刚石刀具基材进行检测以识别金刚石的晶面，然后将金刚石以（100）晶面或（110）晶面朝上的方式固定在抛光手柄上，然后对（100）晶面或（110）晶面进行抛光，抛光后，（100）晶面或（110）晶面的粗糙度小于0.1nm，其中所述固定的方式为采用AB胶粘接、环氧树脂胶粘接或银钎焊；所述抛光的过程中，抛光温度为0-50℃，环境颗粒控制在千级净化室以上，所述抛光采用的抛光方法为选自机械抛光法、离子束溅射法、热化学抛光法、化学机械抛光法、真空等离子化学抛光法、氧化刻蚀法和激光抛光法中的一种或多种；其中，所述机械抛光法包括：采用直径10-400mm的铸铁研磨盘、不锈钢研磨盘、玻璃研磨盘、铜研磨盘、碳化硅砂轮或聚晶金刚石砂轮，转速为0-20000r/min，研磨试剂采用水、粒度为1-50μm的研磨膏、氯化铁、高锰酸钾、高氯酸钾、过氧化氢、硫酸亚铁、硫酸钴、硫酸镍、氧化铈、三氧化二铝、二氧化硅和金刚砂的一种或几种组合；抛光压力为0-3000N，抛光时间1s-100h；表面粗糙度为0-100μm；表面粗糙度的测试方法采用激光干涉仪，椭圆偏振仪，原子力显微镜或扫描电镜；所述离子束溅射法采用如下工艺：束斑直径为5-10nm，束斑电流为0-30nA，束斑能量为0-30keV，加工的表面粗糙度为5-10nm；所述热化学抛光法采用如下工艺：采用氮气、二氧化碳或氩气保护气体氛围下，750-1000℃条件下，与红热碳钢，纯铁抛光，表面粗糙度为0-10nm；所述化学机械抛光法本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种纳米金刚石刀具的制备方法，所述制备方法采用金刚石作为原料，包括制备金刚石刀具基材的切割定型工序、对所述金刚石刀具基材进行抛光的抛光工序和在所述金刚石刀具基材上形成刃口的刃口加工工序，其特征在于，所述方法还包括在所述切割定型工序之前进行的预处理工序和在所述刃口加工工序之后进行的表面修饰工序，其中：/n所述预处理工序用以尽量消除所述金刚石中的缺陷，所述缺陷包括应力缺陷和结构缺陷；/n所述表面修饰工序用以在所述的刃口表面形成保护层；/n所述抛光工序中：首先对所述金刚石刀具基材进行检测以识别金刚石的晶面，然后选取金刚石的（100）晶面或（110）晶面进行后续的抛光，并将抛光后的晶面作为前刀面，根据所述前刀面确定形成所述刃口的后刀面；/n所述刃口加工工序采用保护性刃磨方法或激光定向解理方法，所述保护性刃磨方法包括：先在所述前刀面上形成临时保护涂层，之后对所述后刀面进行刃磨，再去除所述临时保护涂层，以形成所述刃口；所述激光定向解理方法包括：对抛光后的所述金刚石刀具基材施加激光辐照使其内部产生平行于所述前刀面的sp

【技术特征摘要】
1.一种纳米金刚石刀具的制备方法，所述制备方法采用金刚石作为原料，包括制备金刚石刀具基材的切割定型工序、对所述金刚石刀具基材进行抛光的抛光工序和在所述金刚石刀具基材上形成刃口的刃口加工工序，其特征在于，所述方法还包括在所述切割定型工序之前进行的预处理工序和在所述刃口加工工序之后进行的表面修饰工序，其中：
所述预处理工序用以尽量消除所述金刚石中的缺陷，所述缺陷包括应力缺陷和结构缺陷；
所述表面修饰工序用以在所述的刃口表面形成保护层；
所述抛光工序中：首先对所述金刚石刀具基材进行检测以识别金刚石的晶面，然后选取金刚石的（100）晶面或（110）晶面进行后续的抛光，并将抛光后的晶面作为前刀面，根据所述前刀面确定形成所述刃口的后刀面；
所述刃口加工工序采用保护性刃磨方法或激光定向解理方法，所述保护性刃磨方法包括：先在所述前刀面上形成临时保护涂层，之后对所述后刀面进行刃磨，再去除所述临时保护涂层，以形成所述刃口；所述激光定向解理方法包括：对抛光后的所述金刚石刀具基材施加激光辐照使其内部产生平行于所述前刀面的sp2结构石墨层，以及进一步解离形成所述刃口。


2.根据权利要求1所述的纳米金刚石刀具的制备方法，其特征在于，所述切割定型工序为采用激光切割进行，切割定型后的所述金刚石刀具基材的面积为0.25-2500mm2，所述激光切割的功率为大于0小于等于5kW，波长为190-1200nm；
制备金刚石刀具基材的所述金刚石为选自天然金刚石、聚晶金刚石、多晶厚膜金刚石、化学气相沉积单晶金刚石、高温高压单晶金刚石、孪晶金刚石中的一种或多种的组合。


3.根据权利要求1所述的纳米金刚石刀具的制备方法，其特征在于，所述预处理工序包括：采用应力显微镜、X射线透射确定金刚石的应力缺陷以及结构缺陷的数量和大小，所述结构缺陷包括空洞缺陷和微裂纹缺陷，然后采用选自如下工艺中的一种或多种的组合进行处理：
热处理：将金刚石在惰性气体条件下，升温至400-700℃，保温5-120h，退火，消除金刚石应力；
冷处理：将金刚石放置液氮条件下，保温12-120h，消除金刚石应力；
热压处理：将金刚石放置0-130MPa等静压容器内，加温0-200℃，保温、保压12-120h，消除金刚石微裂纹及应力。


4.根据权利要求1所述的纳米金刚石刀具的制备方法，其特征在于，所述表面修饰工序中，在所述的刃口表面形成的所述保护层为防氧化增韧保护层或防冲击保护层，其中：
所述防氧化增韧保护层的膜层种类为碳化硅、氮化硅或氟碳氮化硅；
所述防冲击保护层由具有憎水和憎油性能的氟硅烷涂覆在所述刃口表面上制成。


5.根据权利要求4所述的纳米金刚石刀具的制备方法，其特征在于，所述防氧化增韧保护层采用等离子体气相化学沉积法制成，所述等离子体气相化学沉积法中：气压为0.1-10kPa，沉积时间为10s-1h；沉积气体为选自硅烷、四氟化硅、氧气、甲烷、丙酮、乙醇、氨气和氩气中的一种或多种的组合，沉积厚度为0.1nm-10nm。


6.根据权利要求5所述的纳米金刚石刀具的制备方法，其特征在于，所述沉积气体由四氟化硅和氢气组成，或，所述沉积气体由体积比为10：0.001-0.1：0.1-10：1-200：1-2000的硅烷、氧气、甲烷或丙酮或乙醇、氨气和氩气构成。


7.根据权利要求1所述的纳米金刚石刀具的制备方法，其特征在于，所述抛光工序中：采用选自肉眼观察、激光测试法和X射线衍射法中的一种或多种对所述金刚石刀具基材进行检测以识别金刚石的晶面，然后将金刚石以（100）晶面或（110）晶面朝上的方式固定在抛光手柄上，然后对（100）晶面或（110）晶面进行抛光，抛光后，（100）晶面或（110）晶面的粗糙度小于0.1nm，其中所述固定的方式为采用AB胶粘接、环氧树脂胶粘接或银钎焊；
所述抛光的过程中，抛光温度为0-50℃，环...

【专利技术属性】
技术研发人员：王涛，王箫，满卫东，张雪梅，朱长征，徐念，龚闯，
申请(专利权)人：苏州香榭轩表面工程技术咨询有限公司，上海征世科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32