金剛石是集多種優(yōu)越的物理、化學(xué)、光學(xué)和熱學(xué)性能于一身的材料極品。它不但是自然界已知材料中硬度最大、摩擦系數(shù)最小、導(dǎo)熱性能最好的材料,而且具有優(yōu)良的電絕緣性、較寬的透光波段、優(yōu)秀的半導(dǎo)體特性和化學(xué)惰性,被視為21世紀最有發(fā)展前途的工程材料,具有廣泛的應(yīng)用前景和巨大的市場潛力�；瘜W(xué)氣相沉積(CVD)金剛石的出現(xiàn)打破了天然金剛石數(shù)量稀少、尺寸過小及價格昂貴等限制,使金剛石的應(yīng)用不再局限于傳統(tǒng)的刀具和模具領(lǐng)域,逐漸向光學(xué)、熱學(xué)、電子半導(dǎo)體及聲學(xué)等高科技領(lǐng)域發(fā)展。然而由于其生長機制的限制,CVD金剛石晶粒粗大,表面粗糙度和精度較差,無法滿足上述領(lǐng)域?qū)饎偸饣⒏呔群偷蛽p傷的表面質(zhì)量要求。平坦化技術(shù)已經(jīng)成為CVD金剛石應(yīng)用于高新技術(shù)領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一。 金剛石的高硬度和良好化學(xué)穩(wěn)定性給目前常用的加工技術(shù)帶來了挑戰(zhàn)。機械拋光加工效率極低,容易引入裂紋和劃痕等損傷；化學(xué)作用較強的激光拋光、電火花加工和化學(xué)刻蝕等方法會遇到加工表面質(zhì)量較差、殘留有變質(zhì)層等問題。借助化學(xué)和機械的協(xié)同作用去除金剛石材料將為CVD金剛石的高效、超精密和低損傷拋光提供新思路。為此,探索化學(xué)和機械協(xié)同作用下金剛石的微觀去除機理,研究化學(xué)機械協(xié)同作用拋光的相關(guān)技術(shù)是實現(xiàn)CVD金剛石平坦化的關(guān)鍵。 本文從化學(xué)熱力學(xué)和化學(xué)動力學(xué)理論入手,研究化學(xué)和機械協(xié)同作用去除金剛石材料的相關(guān)理論,分別采用摩擦化學(xué)拋光技術(shù)和化學(xué)機械拋光技術(shù)為粗、精加工技術(shù)實現(xiàn)CVD金剛石高效、超精密、低損傷的拋光。主要的研究工作如下： (1)通過化學(xué)反應(yīng)熱力學(xué)和化學(xué)動力學(xué)分析,論證過渡金屬催化金剛石向石墨轉(zhuǎn)化的可行性,揭示金剛石向石墨轉(zhuǎn)化的金屬催化機制,提出摩擦化學(xué)拋光盤材料應(yīng)具備未配對電子、垂直對準原則、高溫硬度和高溫抗氧化性等基本條件；研究化學(xué)和機械協(xié)同作用下金剛石氧化的化學(xué)動力學(xué)理論,建立化學(xué)機械拋光金剛石的化學(xué)動力學(xué)模型。揭示金剛石的表面結(jié)構(gòu)、機械摩擦引入的晶格畸變和氧化劑的氧化性是金剛石氧化的驅(qū)動力。 (2)根據(jù)摩擦化學(xué)拋光盤的材料要求,采用機械合金化結(jié)合真空熱壓燒結(jié)技術(shù)制備FeNiCr合金基拋光盤。表征FeNiCr合金基拋光盤材料的硬度、抗氧化性能及拋光性能。結(jié)果表明：FeNiCr合金基拋光盤材料的硬度和高溫抗氧化性能均優(yōu)于304不銹鋼和高速鋼。拋光時材料去除率達到3.7μm/min,遠高于TiAl合金基、304不銹鋼和高速鋼三種拋光盤的拋光效率。根據(jù)理論分析和試驗研究,摩擦化學(xué)拋光機理是,金剛石在摩擦熱和金屬催化作用下先轉(zhuǎn)化為石墨,然后以機械、擴散或氧化的形式去除。 (3)研制高效穩(wěn)定的拋光液是化學(xué)機械拋光CVD金剛石的前提。根據(jù)理論分析和試驗研究,在K2FeO4、KMnO4、Na2MoO4、K2Cr2O7、CrO3、KIO4、H2O2、(NH4)2S2O8等八種氧化劑中,K2FeO4拋光效果最好。另外,最佳磨料為粒徑2μm的碳化硼磨料,最佳拋光盤為玻璃盤。在此基礎(chǔ)上,分析高鐵酸鉀拋光液的氧化性、物理和化學(xué)穩(wěn)定性,通過實驗確定較佳的氧化劑濃度、磷酸濃度和催化劑分別為15g/100ml水、4-7.5ml/100ml水和粒徑30nm的催化劑T粉末。采用X射線衍射、拉曼光譜及XPS光電子能譜分析研究拋光后CVD金剛石的表面成分,揭示化學(xué)機械拋光CVD金剛石的材料去除機理。結(jié)果表明,拋光后金剛石表面存在C-C、C-OH、C-O-C、C=O和O=C-OH等多種形式官能團�；瘜W(xué)機械拋光CVD金剛石的材料去除機理是：高鐵酸鉀在酸性條件下將水氧化為自由基氧,自由基氧吸附在CVD金剛石和固體催化劑表面,逐步氧化金剛石表面碳原子。磨粒的機械劃擦作用使金剛石產(chǎn)生一層厚度約為2nm畸變層,保證化學(xué)反應(yīng)的持續(xù)進行。 (4)搭建局部加熱式化學(xué)機械拋光試驗臺和小尺寸晶片摩擦力在線測量裝置,研究化學(xué)機械拋光溫度、壓力、拋光盤轉(zhuǎn)速、氧化劑濃度對材料去除率及摩擦力的影響規(guī)律。根據(jù)理論分析和試驗研究,合理的摩擦化學(xué)拋光工藝為：拋光壓力為6.5Mpa,拋光盤轉(zhuǎn)速為11000r/min:合理的化學(xué)機械拋光工藝為：拋光壓力為266.7kPa,拋光盤轉(zhuǎn)速為70r/min,拋光頭轉(zhuǎn)速為23r/min,拋光溫度為50℃。化學(xué)機械拋光CVD金剛石的摩擦系數(shù)在0.060～0.065范圍內(nèi)變化,為混合摩擦狀態(tài)。采用優(yōu)化的拋光工藝拋光后,CVD金剛石表面粗糙度可達到Ra0.187nm,表面沒有劃痕和損傷。

【關(guān)鍵詞】：
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類號】：TG580.692;TQ164
【目錄】：

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