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金剛石膜的應(yīng)用與拋光技術(shù) 版權(quán)信息
- ISBN：9787030738448
- 條形碼：9787030738448 ; 978-7-03-073844-8
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊(cè)數(shù)：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>>
金剛石膜的應(yīng)用與拋光技術(shù) 本書特色
本書可供高等院校機(jī)械和材料等相關(guān)專業(yè)師生、研究院所及相關(guān)領(lǐng)域企業(yè)的研發(fā)與應(yīng)用人員參考。
金剛石膜的應(yīng)用與拋光技術(shù) 內(nèi)容簡(jiǎn)介
本書在第1章講述金剛石的結(jié)構(gòu)和性能技術(shù)上，第2章詳細(xì)講述金剛石在各領(lǐng)域的應(yīng)用情況。這些應(yīng)用領(lǐng)域大多為高技術(shù)領(lǐng)域，且很多還未進(jìn)入到人們的視野，對(duì)推廣金剛石應(yīng)用有很好的幫助。第3章簡(jiǎn)要介紹金剛石膜的制備技術(shù)。第4章詳細(xì)介紹金剛石膜的去除機(jī)理與拋光理論，為后續(xù)幾章金剛石膜的拋光技術(shù)提供指導(dǎo)。第5、6、7、8章分別詳細(xì)介紹金剛石膜的機(jī)械拋光技術(shù)、摩擦化學(xué)拋光技術(shù)、化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)和光催化拋光技術(shù)。第9章介紹金剛石膜的特種加工技術(shù)，第10章簡(jiǎn)要介紹金剛石相關(guān)材料的拋光加工技術(shù)。
金剛石膜的應(yīng)用與拋光技術(shù) 目錄
目錄
前言
第1章 金剛石的結(jié)構(gòu)及性能 1
1.1 金剛石的原子結(jié)構(gòu) 1
1.2 金剛石的力學(xué)性能 3
1.2.1 金剛石的硬度 3
1.2.2 金剛石的解理與脆性 4
1.2.3 金剛石的強(qiáng)度 4
1.2.4 金剛石其他力學(xué)性能 6
1.3 金剛石的光學(xué)性能 6
1.4 金剛石的熱學(xué)性能 7
1.5 金剛石的電子學(xué)性能 9
1.6 金剛石的化學(xué)性能 9
參考文獻(xiàn) 10
第2章 金剛石膜的應(yīng)用 11
2.1 金剛石膜在機(jī)械領(lǐng)域的應(yīng)用 11
2.1.1 金剛石的定向 11
2.1.2 金剛石刀具 12
2.1.3 金剛石修整器 18
2.1.4 金剛石膜在醫(yī)療器械領(lǐng)域的應(yīng)用 18
2.1.5 金剛石膜在其他機(jī)械領(lǐng)域的應(yīng)用 20
2.2 金剛石膜在熱學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用 20
2.2.1 金剛石熱沉片 20
2.2.2 金剛石散熱片 22
2.2.3 金剛石場(chǎng)發(fā)射散熱片 23
2.3 金剛石膜在光學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用 24
2.3.1 超聲速飛行器紅外或雷達(dá)光學(xué)窗口 24
2.3.2 高功率激光窗口和微波窗口 26
2.3.3 苛刻環(huán)境下服役的光學(xué)窗口 28
2.3.4 金剛石膜在其他光學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用 29
2.4 金剛石膜在聲學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用 30
2.4.1 高保真聲學(xué)器件 31
2.4.2 SAW器件 31
2.5 金剛石膜在電學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用 33
2.5.1 紫外探測(cè)器、輻射探測(cè)器 33
2.5.2 效應(yīng)管、二極管 34
2.5.3 金剛石膜在集成電路光刻領(lǐng)域的應(yīng)用 35
2.5.4 金剛石膜在其他電學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用 36
2.6 金剛石膜的應(yīng)用要求 38
2.7 金剛石膜的市場(chǎng)前景 39
參考文獻(xiàn) 41
第3章 金剛石膜的制備技術(shù) 44
3.1 概述 44
3.2 金剛石膜的CVD生長(zhǎng)機(jī)理 45
3.3 熱絲CVD法 47
3.3.1 熱絲CVD法的基本原理 47
3.3.2 熱絲CVD過程中的化學(xué)反應(yīng) 48
3.3.3 熱絲的選擇與碳化 49
3.3.4 電子輔助熱絲CVD 50
3.3.5 熱絲CVD法的基本工藝參數(shù) 51
3.4 微波等離子CVD法 52
3.4.1 常見微波等離子CVD裝置 52
3.4.2 其他類型的微波等離子CVD裝置 55
3.4.3 微波等離子CVD法的應(yīng)用與展望 56
3.5 直流電弧等離子噴射CVD法 56
3.5.1 直流電弧等離子噴射CVD的原理 56
3.5.2 直流電弧等離子噴射CVD電弧特性及其影響 57
3.5.3 磁場(chǎng)對(duì)直流電弧等離子噴射CVD的影響 58
3.6 其他金剛石膜制備技術(shù) 59
3.6.1 燃燒火焰CVD 59
3.6.2 脈沖激光沉積 60
參考文獻(xiàn) 62
第4章 金剛石膜的去除機(jī)理與拋光理論 65
4.1 概述 65
4.2 金剛石拋光的材料去除機(jī)理 69
4.3 金剛石摩擦化學(xué)拋光理論 73
4.3.1 金剛石石墨化的化學(xué)熱力學(xué)分析 74
4.3.2 金剛石石墨化的化學(xué)動(dòng)力學(xué)分析 77
4.3.3 加快金剛石石墨化反應(yīng)的措施 78
4.3.4 摩擦化學(xué)拋光技術(shù)的催化機(jī)制及對(duì)拋光盤的要求 79
4.4 金剛石化學(xué)機(jī)械拋光理論 82
4.4.1 金剛石氧化的化學(xué)熱力學(xué)分析 83
4.4.2 金剛石氧化的化學(xué)動(dòng)力學(xué)分析 84
4.4.3 加快金剛石氧化反應(yīng)的措施 86
4.4.4 化學(xué)機(jī)械拋光動(dòng)力學(xué)模型的建立 87
4.5 金剛石膜拋光過程接觸理論 99
4.5.1 摩擦化學(xué)拋光表面粗糙峰分布模型 101
4.5.2 摩擦化學(xué)拋光動(dòng)態(tài)接觸模型 104
4.5.3 摩擦化學(xué)拋光過程界面溫升模型 105
4.5.4 接觸模型的驗(yàn)證與討論 106
4.6 金剛石膜拋光平坦化理論 113
4.6.1 拋光盤與工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng) 113
4.6.2 仿真運(yùn)動(dòng)軌跡分析 114
參考文獻(xiàn) 116
第5章 金剛石膜的機(jī)械拋光技術(shù) 120
5.1 概述 120
5.2 游離磨料機(jī)械拋光 120
5.2.1 試驗(yàn)條件與檢測(cè)方法 120
5.2.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析 122
5.3 固結(jié)磨料機(jī)械拋光 125
5.3.1 試驗(yàn)條件與檢測(cè)方法 125
5.3.2 電鍍金剛石盤粒度對(duì)拋光的影響 126
5.3.3 拋光時(shí)間對(duì)拋光的影響 128
5.3.4 拋光工藝參數(shù)對(duì)拋光的影響 130
5.3.5 金剛石膜材料機(jī)械拋光的去除機(jī)理 131
5.4 金剛石砂輪磨削 133
5.4.1 陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪磨削 133
5.4.2 金屬催化劑金剛石砂輪磨削 135
5.5 金剛石膜對(duì)磨拋光 137
5.6 單晶金剛石的機(jī)械拋光 138
參考文獻(xiàn) 140
第6章 金剛石膜的摩擦化學(xué)拋光技術(shù) 141
6.1 概述 141
6.2 摩擦化學(xué)拋光盤的制備 143
6.2.1 FeNiCr合金拋光盤 144
6.2.2 TiAl合金拋光盤 157
6.2.3 WMoCr合金拋光盤 165
6.3 摩擦化學(xué)拋光方法與裝置 168
6.4 金剛石膜摩擦化學(xué)拋光工藝 170
6.4.1 拋光盤材料對(duì)材料去除率的影響 170
6.4.2 拋光工藝參數(shù)對(duì)拋光溫度的影響 172
6.4.3 拋光工藝參數(shù)對(duì)材料去除率的影響 173
6.5 金剛石膜摩擦化學(xué)拋光機(jī)理 174
6.5.1 金剛石膜試樣的表面成分分析 174
6.5.2 拋光盤的表面成分分析 175
6.5.3 摩擦化學(xué)拋光的材料去除機(jī)理 175
6.6 金剛石的熱化學(xué)拋光 176
6.6.1 熱金屬盤拋光 176
6.6.2 熱擴(kuò)散刻蝕 179
參考文獻(xiàn) 181
第7章 金剛石膜的化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù) 183
7.1 概述 183
7.2 金剛石膜化學(xué)機(jī)械拋光關(guān)鍵技術(shù)分析 184
7.2.1 加熱條件 185
7.2.2 金剛石膜化學(xué)機(jī)械拋光試驗(yàn)裝置的搭建 185
7.2.3 試樣的粘貼、清洗方案 187
7.2.4 拋光盤的選擇 188
7.3 化學(xué)機(jī)械拋光液的配制 191
7.3.1 磨料的選擇 191
7.3.2 氧化劑的選擇 192
7.3.3 K2FeO4拋光液的性能表征 198
7.3.4 K2FeO4拋光液的成分優(yōu)化 203
7.4 金剛石膜的化學(xué)機(jī)械拋光工藝 206
7.4.1 摩擦力測(cè)量裝置的搭建 206
7.4.2 拋光工藝參數(shù)對(duì)拋光摩擦力的影響 210
7.4.3 拋光工藝參數(shù)對(duì)材料去除率的影響 213
7.4.4 化學(xué)機(jī)械拋光金剛石膜的效果 215
7.5 金剛石膜的化學(xué)機(jī)械拋光機(jī)理 217
7.5.1 金剛石膜的表面成分分析 218
7.5.2 金剛石膜表層的XPS深度分析 225
7.5.3 化學(xué)機(jī)械拋光的材料去除機(jī)理 227
7.6 金剛石的高溫化學(xué)機(jī)械拋光 228
參考文獻(xiàn) 230
第8章 金剛石膜的光催化輔助拋光技術(shù) 232
8.1 光催化輔助拋光原理 232
8.2 光催化輔助拋光液的配制 233
8.2.1 磨料的選擇 233
8.2.2 光催化劑的選擇 234
8.2.3 電子捕獲劑的選擇 236
8.2.4 pH調(diào)節(jié)劑的選擇 236
8.2.5 光催化輔助拋光液的氧化性表征 236
8.3 金剛石膜的光催化輔助拋光 240
8.3.1 光催化輔助拋光方法與裝置 240
8.3.2 光照條件與電子捕獲劑對(duì)拋光的影響 243
8.3.3 光催化劑對(duì)拋光的影響 244
8.4 光催化輔助拋光金剛石膜的機(jī)理 246
參考文獻(xiàn) 249
第9章 金剛石膜的特種拋光技術(shù) 251
9.1 激光拋光技術(shù) 251
9.1.1 激光拋光原理及特點(diǎn) 251
9.1.2 金剛石膜的激光拋光 252
9.2 離子束拋光技術(shù) 255
9.2.1 離子束拋光原理及特點(diǎn) 255
9.2.2 金剛石膜的離子束拋光 256
9.3 等離子刻蝕技術(shù) 258
9.3.1 等離子刻蝕原理及特點(diǎn) 258
9.3.2 金剛石膜的等離子刻蝕 259
9.4 電火花加工技術(shù) 261
9.4.1 電火花加工原理及特點(diǎn) 261
9.4.2 金剛石膜的化學(xué)鍍金屬 262
9.4.3 金剛石膜的電火花加工 265
9.5 等離子融合化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù) 268
參考文獻(xiàn) 271
第10章 金剛石相關(guān)材料應(yīng)用及加工技術(shù) 273
10.1 SiC的應(yīng)用及拋光技術(shù) 273
10.1.1 SiC的結(jié)構(gòu) 273
10.1.2 SiC的性質(zhì)與應(yīng)用 274
10.1.3 SiC晶片的拋光技術(shù)概述 277
10.1.4 SiC晶片的超聲振動(dòng)輔助研磨技術(shù) 284
10.1.5 SiC晶片的光催化輔助拋光技術(shù) 288
10.2 Si3N4的應(yīng)用及拋光技術(shù) 294
10.2.1 Si3N4的性質(zhì)與應(yīng)用 294
10.2.2 Si3N4的拋光技術(shù) 295
10.3 藍(lán)寶石的應(yīng)用及拋光技術(shù) 299
10.3.1 藍(lán)寶石的性質(zhì)與應(yīng)用 299
10.3.2 藍(lán)寶石的拋光技術(shù) 301
10.4 石墨烯的應(yīng)用及加工技術(shù) 303
10.4.1 石墨烯的性質(zhì)與應(yīng)用 303
10.4.2 石墨烯的加工技術(shù) 305
10.5 DLC材料的應(yīng)用及制備技術(shù) 308
10.5.1 DLC材料的性質(zhì)與應(yīng)用 308
10.5.2 DLC材料的制備技術(shù) 311
參考文獻(xiàn) 311
前言
第1章 金剛石的結(jié)構(gòu)及性能 1
1.1 金剛石的原子結(jié)構(gòu) 1
1.2 金剛石的力學(xué)性能 3
1.2.1 金剛石的硬度 3
1.2.2 金剛石的解理與脆性 4
1.2.3 金剛石的強(qiáng)度 4
1.2.4 金剛石其他力學(xué)性能 6
1.3 金剛石的光學(xué)性能 6
1.4 金剛石的熱學(xué)性能 7
1.5 金剛石的電子學(xué)性能 9
1.6 金剛石的化學(xué)性能 9
參考文獻(xiàn) 10
第2章 金剛石膜的應(yīng)用 11
2.1 金剛石膜在機(jī)械領(lǐng)域的應(yīng)用 11
2.1.1 金剛石的定向 11
2.1.2 金剛石刀具 12
2.1.3 金剛石修整器 18
2.1.4 金剛石膜在醫(yī)療器械領(lǐng)域的應(yīng)用 18
2.1.5 金剛石膜在其他機(jī)械領(lǐng)域的應(yīng)用 20
2.2 金剛石膜在熱學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用 20
2.2.1 金剛石熱沉片 20
2.2.2 金剛石散熱片 22
2.2.3 金剛石場(chǎng)發(fā)射散熱片 23
2.3 金剛石膜在光學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用 24
2.3.1 超聲速飛行器紅外或雷達(dá)光學(xué)窗口 24
2.3.2 高功率激光窗口和微波窗口 26
2.3.3 苛刻環(huán)境下服役的光學(xué)窗口 28
2.3.4 金剛石膜在其他光學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用 29
2.4 金剛石膜在聲學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用 30
2.4.1 高保真聲學(xué)器件 31
2.4.2 SAW器件 31
2.5 金剛石膜在電學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用 33
2.5.1 紫外探測(cè)器、輻射探測(cè)器 33
2.5.2 效應(yīng)管、二極管 34
2.5.3 金剛石膜在集成電路光刻領(lǐng)域的應(yīng)用 35
2.5.4 金剛石膜在其他電學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用 36
2.6 金剛石膜的應(yīng)用要求 38
2.7 金剛石膜的市場(chǎng)前景 39
參考文獻(xiàn) 41
第3章 金剛石膜的制備技術(shù) 44
3.1 概述 44
3.2 金剛石膜的CVD生長(zhǎng)機(jī)理 45
3.3 熱絲CVD法 47
3.3.1 熱絲CVD法的基本原理 47
3.3.2 熱絲CVD過程中的化學(xué)反應(yīng) 48
3.3.3 熱絲的選擇與碳化 49
3.3.4 電子輔助熱絲CVD 50
3.3.5 熱絲CVD法的基本工藝參數(shù) 51
3.4 微波等離子CVD法 52
3.4.1 常見微波等離子CVD裝置 52
3.4.2 其他類型的微波等離子CVD裝置 55
3.4.3 微波等離子CVD法的應(yīng)用與展望 56
3.5 直流電弧等離子噴射CVD法 56
3.5.1 直流電弧等離子噴射CVD的原理 56
3.5.2 直流電弧等離子噴射CVD電弧特性及其影響 57
3.5.3 磁場(chǎng)對(duì)直流電弧等離子噴射CVD的影響 58
3.6 其他金剛石膜制備技術(shù) 59
3.6.1 燃燒火焰CVD 59
3.6.2 脈沖激光沉積 60
參考文獻(xiàn) 62
第4章 金剛石膜的去除機(jī)理與拋光理論 65
4.1 概述 65
4.2 金剛石拋光的材料去除機(jī)理 69
4.3 金剛石摩擦化學(xué)拋光理論 73
4.3.1 金剛石石墨化的化學(xué)熱力學(xué)分析 74
4.3.2 金剛石石墨化的化學(xué)動(dòng)力學(xué)分析 77
4.3.3 加快金剛石石墨化反應(yīng)的措施 78
4.3.4 摩擦化學(xué)拋光技術(shù)的催化機(jī)制及對(duì)拋光盤的要求 79
4.4 金剛石化學(xué)機(jī)械拋光理論 82
4.4.1 金剛石氧化的化學(xué)熱力學(xué)分析 83
4.4.2 金剛石氧化的化學(xué)動(dòng)力學(xué)分析 84
4.4.3 加快金剛石氧化反應(yīng)的措施 86
4.4.4 化學(xué)機(jī)械拋光動(dòng)力學(xué)模型的建立 87
4.5 金剛石膜拋光過程接觸理論 99
4.5.1 摩擦化學(xué)拋光表面粗糙峰分布模型 101
4.5.2 摩擦化學(xué)拋光動(dòng)態(tài)接觸模型 104
4.5.3 摩擦化學(xué)拋光過程界面溫升模型 105
4.5.4 接觸模型的驗(yàn)證與討論 106
4.6 金剛石膜拋光平坦化理論 113
4.6.1 拋光盤與工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng) 113
4.6.2 仿真運(yùn)動(dòng)軌跡分析 114
參考文獻(xiàn) 116
第5章 金剛石膜的機(jī)械拋光技術(shù) 120
5.1 概述 120
5.2 游離磨料機(jī)械拋光 120
5.2.1 試驗(yàn)條件與檢測(cè)方法 120
5.2.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析 122
5.3 固結(jié)磨料機(jī)械拋光 125
5.3.1 試驗(yàn)條件與檢測(cè)方法 125
5.3.2 電鍍金剛石盤粒度對(duì)拋光的影響 126
5.3.3 拋光時(shí)間對(duì)拋光的影響 128
5.3.4 拋光工藝參數(shù)對(duì)拋光的影響 130
5.3.5 金剛石膜材料機(jī)械拋光的去除機(jī)理 131
5.4 金剛石砂輪磨削 133
5.4.1 陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪磨削 133
5.4.2 金屬催化劑金剛石砂輪磨削 135
5.5 金剛石膜對(duì)磨拋光 137
5.6 單晶金剛石的機(jī)械拋光 138
參考文獻(xiàn) 140
第6章 金剛石膜的摩擦化學(xué)拋光技術(shù) 141
6.1 概述 141
6.2 摩擦化學(xué)拋光盤的制備 143
6.2.1 FeNiCr合金拋光盤 144
6.2.2 TiAl合金拋光盤 157
6.2.3 WMoCr合金拋光盤 165
6.3 摩擦化學(xué)拋光方法與裝置 168
6.4 金剛石膜摩擦化學(xué)拋光工藝 170
6.4.1 拋光盤材料對(duì)材料去除率的影響 170
6.4.2 拋光工藝參數(shù)對(duì)拋光溫度的影響 172
6.4.3 拋光工藝參數(shù)對(duì)材料去除率的影響 173
6.5 金剛石膜摩擦化學(xué)拋光機(jī)理 174
6.5.1 金剛石膜試樣的表面成分分析 174
6.5.2 拋光盤的表面成分分析 175
6.5.3 摩擦化學(xué)拋光的材料去除機(jī)理 175
6.6 金剛石的熱化學(xué)拋光 176
6.6.1 熱金屬盤拋光 176
6.6.2 熱擴(kuò)散刻蝕 179
參考文獻(xiàn) 181
第7章 金剛石膜的化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù) 183
7.1 概述 183
7.2 金剛石膜化學(xué)機(jī)械拋光關(guān)鍵技術(shù)分析 184
7.2.1 加熱條件 185
7.2.2 金剛石膜化學(xué)機(jī)械拋光試驗(yàn)裝置的搭建 185
7.2.3 試樣的粘貼、清洗方案 187
7.2.4 拋光盤的選擇 188
7.3 化學(xué)機(jī)械拋光液的配制 191
7.3.1 磨料的選擇 191
7.3.2 氧化劑的選擇 192
7.3.3 K2FeO4拋光液的性能表征 198
7.3.4 K2FeO4拋光液的成分優(yōu)化 203
7.4 金剛石膜的化學(xué)機(jī)械拋光工藝 206
7.4.1 摩擦力測(cè)量裝置的搭建 206
7.4.2 拋光工藝參數(shù)對(duì)拋光摩擦力的影響 210
7.4.3 拋光工藝參數(shù)對(duì)材料去除率的影響 213
7.4.4 化學(xué)機(jī)械拋光金剛石膜的效果 215
7.5 金剛石膜的化學(xué)機(jī)械拋光機(jī)理 217
7.5.1 金剛石膜的表面成分分析 218
7.5.2 金剛石膜表層的XPS深度分析 225
7.5.3 化學(xué)機(jī)械拋光的材料去除機(jī)理 227
7.6 金剛石的高溫化學(xué)機(jī)械拋光 228
參考文獻(xiàn) 230
第8章 金剛石膜的光催化輔助拋光技術(shù) 232
8.1 光催化輔助拋光原理 232
8.2 光催化輔助拋光液的配制 233
8.2.1 磨料的選擇 233
8.2.2 光催化劑的選擇 234
8.2.3 電子捕獲劑的選擇 236
8.2.4 pH調(diào)節(jié)劑的選擇 236
8.2.5 光催化輔助拋光液的氧化性表征 236
8.3 金剛石膜的光催化輔助拋光 240
8.3.1 光催化輔助拋光方法與裝置 240
8.3.2 光照條件與電子捕獲劑對(duì)拋光的影響 243
8.3.3 光催化劑對(duì)拋光的影響 244
8.4 光催化輔助拋光金剛石膜的機(jī)理 246
參考文獻(xiàn) 249
第9章 金剛石膜的特種拋光技術(shù) 251
9.1 激光拋光技術(shù) 251
9.1.1 激光拋光原理及特點(diǎn) 251
9.1.2 金剛石膜的激光拋光 252
9.2 離子束拋光技術(shù) 255
9.2.1 離子束拋光原理及特點(diǎn) 255
9.2.2 金剛石膜的離子束拋光 256
9.3 等離子刻蝕技術(shù) 258
9.3.1 等離子刻蝕原理及特點(diǎn) 258
9.3.2 金剛石膜的等離子刻蝕 259
9.4 電火花加工技術(shù) 261
9.4.1 電火花加工原理及特點(diǎn) 261
9.4.2 金剛石膜的化學(xué)鍍金屬 262
9.4.3 金剛石膜的電火花加工 265
9.5 等離子融合化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù) 268
參考文獻(xiàn) 271
第10章 金剛石相關(guān)材料應(yīng)用及加工技術(shù) 273
10.1 SiC的應(yīng)用及拋光技術(shù) 273
10.1.1 SiC的結(jié)構(gòu) 273
10.1.2 SiC的性質(zhì)與應(yīng)用 274
10.1.3 SiC晶片的拋光技術(shù)概述 277
10.1.4 SiC晶片的超聲振動(dòng)輔助研磨技術(shù) 284
10.1.5 SiC晶片的光催化輔助拋光技術(shù) 288
10.2 Si3N4的應(yīng)用及拋光技術(shù) 294
10.2.1 Si3N4的性質(zhì)與應(yīng)用 294
10.2.2 Si3N4的拋光技術(shù) 295
10.3 藍(lán)寶石的應(yīng)用及拋光技術(shù) 299
10.3.1 藍(lán)寶石的性質(zhì)與應(yīng)用 299
10.3.2 藍(lán)寶石的拋光技術(shù) 301
10.4 石墨烯的應(yīng)用及加工技術(shù) 303
10.4.1 石墨烯的性質(zhì)與應(yīng)用 303
10.4.2 石墨烯的加工技術(shù) 305
10.5 DLC材料的應(yīng)用及制備技術(shù) 308
10.5.1 DLC材料的性質(zhì)與應(yīng)用 308
10.5.2 DLC材料的制備技術(shù) 311
參考文獻(xiàn) 311
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金剛石膜的應(yīng)用與拋光技術(shù) 節(jié)選
第1章金剛石的結(jié)構(gòu)及性能 1.1金剛石的原子結(jié)構(gòu) 金剛石是單一碳原子的結(jié)晶體，是典型的原子晶體。碳的原子序數(shù)為6，基態(tài)電子層結(jié)構(gòu)為1s22s22p2，外層電子構(gòu)型是2s2、2p2。2s次層只有一個(gè)軌道，可容納兩個(gè)電子，并且兩個(gè)電子成對(duì)，無成鍵能力。2p次層可有三個(gè)軌道，而碳的2p次層只有兩個(gè)軌道，各由一個(gè)未成對(duì)電子所占有，故將碳元素劃入2p組元素。由于2s和2p同屬于一個(gè)電子層，它們的能級(jí)相差很小，在成鍵時(shí)，碳原子處于激發(fā)狀態(tài)下，一個(gè)2s電子躍遷到空著的2p軌道上去，形成四個(gè)未成對(duì)的價(jià)電子，即一個(gè)2s電子和三個(gè)2p電子。因此，碳原子與碳原子結(jié)合時(shí)表現(xiàn)出的化合價(jià)不是+2價(jià)而是+4價(jià)。激發(fā)態(tài)碳原子的四個(gè)未成對(duì)價(jià)電子中，p電子的成鍵能力較s電子強(qiáng)，碳化合物（碳原子呈+4價(jià)）中有三個(gè)鍵比較穩(wěn)定，另一個(gè)鍵比較不穩(wěn)定，即四個(gè)鍵是不等價(jià)的。但是在金剛石晶體中，四個(gè)價(jià)電子軌道2s、2px、2py、2pz需要“重新組合”雜化軌道，形成四個(gè)新的等價(jià)軌道，其中每一個(gè)新軌道都含有1/4s電子和1/4p電子的成分。由一個(gè)s軌道和三個(gè)p軌道混合成的軌道稱為sp3雜化軌道。金剛石中碳原子的結(jié)合基于碳原子外層的四個(gè)價(jià)電子2s、2p3雜化形成的sp3共價(jià)鍵，四個(gè)共價(jià)鍵是等價(jià)的，且它們的鍵角是109°28′，構(gòu)成正四面體。如圖1.1所示，每個(gè)碳原子位于正四面體的中心，周圍四個(gè)碳原子位于四個(gè)頂點(diǎn)上，中心碳原子和頂角上每個(gè)碳原子共享兩個(gè)價(jià)原子[1]，在空間構(gòu)成連續(xù)的、堅(jiān)固的骨架結(jié)構(gòu)。因此，可以把整個(gè)晶體看成巨大的分子。 由于C-C鍵的鍵能很大（為367kJ/mol），價(jià)電子都參與了共價(jià)鍵的形成，晶體中沒有自由電子。碳元素位于化學(xué)元素周期表中ⅣA族元素*上方，原子半徑*小，因此單位體積內(nèi)的原子數(shù)（176nm-3）及共價(jià)鍵數(shù)（704nm-3）*大，即具有*大的鍵能密度。鍵能密度外在的表現(xiàn)就是硬度，所以金剛石為*硬的物質(zhì)，熔點(diǎn)高達(dá)3550℃，并不導(dǎo)電；金剛石的共價(jià)電子振動(dòng)時(shí)，其聲子的傳播*快，因此它的熱導(dǎo)率*高；金剛石的晶格振動(dòng)時(shí)頻率*高，因此它的傳聲速率*大（18km/s）；金剛石具有單一且分布均勻的強(qiáng)鍵，因此它的透光能力*強(qiáng)；金剛石的致密結(jié)構(gòu)使得其他外來原子很難進(jìn)入，因此它的原子不易散失，化學(xué)穩(wěn)定性很高。此外，密實(shí)的原子排列使金剛石成為*銳利的刀具。因?yàn)樵娱g彼此束縛得*緊，所以比熱容小，加上熱膨脹系數(shù)很小，金剛石成為*耐熱/冷沖擊的材料。由于其電子抓得*牢，純金剛石電阻率也*大。 根據(jù)碳原子sp3雜化成鍵，金剛石呈現(xiàn)正四面體結(jié)構(gòu)。圖1.1中每個(gè)立方體稱為晶胞，是能反映晶體對(duì)稱性的*小結(jié)構(gòu)單元。這種面心立方晶胞內(nèi)包含許多正四面體。這些四面體的表面都是原子堆積*緊密的面，稱為密排面。一般來說，同樣面積的表面，密排面具有*低的能量，因此在晶體形核和生長(zhǎng)過程中，密排面往往*容易形成。金剛石晶體中存在四個(gè)等價(jià)但不同方向的密排面，因此，直覺上，天然形成的金剛石應(yīng)該會(huì)是圖1.2所示的正四面體形狀。 然而，這樣的四面體有四個(gè)非常尖銳的頂角。對(duì)同樣體積的材料而言，頂角越尖銳，表面積越大，表面能就越高，越不穩(wěn)定。因此，相比于長(zhǎng)出四個(gè)尖銳的頂角，金剛石更愿意長(zhǎng)得“圓潤(rùn)”一些。把四個(gè)頂角沿著密排面切掉，剩下的表面依然是能量*低的密排面，但同樣體積材料的表面積減小了很多，自然也就更穩(wěn)定，更容易形成。如圖1.3所示，切掉四個(gè)頂角后，正四面體就變成了更“圓潤(rùn)”的正八面體，也就是常見的天然金剛石形狀。如果進(jìn)一步將正八面體頂角切掉，就形成了常見的正十二面體形狀。 1.2金剛石的力學(xué)性能 1.2.1金剛石的硬度 金剛石的硬度在舊莫氏標(biāo)度上為10級(jí)，在新莫氏標(biāo)度上是15級(jí)，維氏硬度為100GPa。圖1.4為常見材料的硬度比較。表1.1為常見超硬材料的力學(xué)和熱學(xué)性質(zhì)。在任何一種標(biāo)度上，金剛石都是*硬的物質(zhì)。由于每個(gè)晶面上原子排列形式和原子密度的不同及晶面間距的不同，金剛石單晶呈現(xiàn)各向異性的特點(diǎn)。不同金剛石晶面的硬度不同，各晶面硬度的順序與面網(wǎng)密度的順序一致，即(111)＞(110)＞(100)。利用金剛石單晶的各向異性，在使用的時(shí)候定向排列，可使金剛石鉆頭或滾輪的耐磨性提高50%～100%。 1.2.2金剛石的解理與脆性 金剛石雖然很硬，但是很脆，容易發(fā)生八面體解理，這與各面網(wǎng)之間的距離有關(guān)。金剛石發(fā)生解理的順序?yàn)?111)晶面、(110)晶面、(100)晶面，即(111)晶面*容易發(fā)生解理。由金剛石單晶面上實(shí)際的價(jià)電子密度計(jì)算得出，(111)晶面的價(jià)電子鍵分布均勻，實(shí)際發(fā)生作用的價(jià)電子密度*大。金剛石單晶(111)晶面的有效價(jià)電子密度為46.212nm2，明顯高于(110)晶面的有效價(jià)電子密度（38.542nm2），成為有效原子密排面。當(dāng)金剛石受到外力作用時(shí)，(111)晶面間較弱的鍵更容易斷裂，導(dǎo)致沿(111)晶面產(chǎn)生解理。在實(shí)際加工時(shí)，金剛石刀具出現(xiàn)磨損也常常由于(111)晶面產(chǎn)生解理。因此，合理解決耐磨與解理的矛盾能有效地延長(zhǎng)金剛石工具的使用壽命。金剛石的脆性還與晶體的完整程度有關(guān)。晶體缺陷會(huì)產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力，甚至?xí)鹱匀慌眩欢暾木w有較高的韌性，劈裂所需的應(yīng)力要大得多。沖擊韌性是表征金剛石質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，可以利用專門的儀器進(jìn)行測(cè)定。取一定量試樣，在一定條件下進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，然后過篩，測(cè)量保持原有粒度的百分?jǐn)?shù)，即可間接表示試樣的韌性。 1.2.3金剛石的強(qiáng)度 金剛石不僅硬度極高，也是目前已知的強(qiáng)度*高的材料，因此對(duì)它進(jìn)行測(cè)量比較困難，測(cè)量結(jié)果出入也比較大。各種晶形金剛石由于存在生產(chǎn)工藝、技術(shù)等方面的區(qū)別，強(qiáng)度各不相同，可相差2～4倍。金剛石的強(qiáng)度受它所包含的包裹體、雜質(zhì)結(jié)晶缺陷的影響很大。金剛石的小顆粒往往比大顆粒顯示出更高的強(qiáng)度，存在尺寸效應(yīng)。根據(jù)測(cè)量結(jié)果，金剛石的抗彎強(qiáng)度為1050～3000MPa，抗壓強(qiáng)度為1500～3000MPa，體積彈性模量高達(dá)435GPa。由圖1.5和圖1.6可以看出，金剛石的彈性模量、剪切模量和維氏硬度均顯著高于其他材料。彈性模量表示某種材料的強(qiáng)度和在加工過程中發(fā)生形變的特性。彈性模量越大，加工工件的形變、產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力和發(fā)熱量越小，加工工件的質(zhì)量越高。 1.2.4金剛石其他力學(xué)性能 金剛石的密度一般為3.47～3.56g/cm3，質(zhì)純、結(jié)晶完好的金剛石密度為3.51g/cm3。金剛石的摩擦系數(shù)非常低，在空氣中與金屬的摩擦系數(shù)低于0.1，有極高的抗磨損性能，是剛玉的90～100倍、硬質(zhì)合金的40～200倍、淬火高速鋼的2000～5000倍。作為磨料，金剛石的研磨能力比SiC高500～3500倍，比B4C高1500～6000倍。另外，聲波在金剛石內(nèi)的傳播速度極快，縱波聲速高達(dá)18000m/s，金剛石是制作壓力傳感器的極佳材料。 金剛石還具有非磁性、不良導(dǎo)電性、親油疏水性和摩擦生電性等。唯Ⅱb型金剛石具有良好的半導(dǎo)體性能。根據(jù)金剛石的氮雜質(zhì)含量和熱、電、光學(xué)性質(zhì)的差異，可將金剛石分為Ⅰ型和Ⅱ型兩類，并進(jìn)一步細(xì)分為Ⅰa、Ⅰb、Ⅱa、Ⅱb四個(gè)亞型。Ⅰ型（特別是Ⅰa型）金剛石為常見的金剛石，約占天然金剛石總量的98%。Ⅰ型金剛石均含有一定數(shù)量的氮，具有較好的導(dǎo)熱性、不良導(dǎo)電性和較好的晶形。Ⅱ型金剛石極為罕見，含極少或幾乎不含氮，具有良好的導(dǎo)熱性和曲面晶體的特點(diǎn)，其中，Ⅱb型金剛石具有半導(dǎo)電性。Ⅱ型金剛石的性能優(yōu)異，因此多用于空間技術(shù)和尖端工業(yè)。 1.3金剛石的光學(xué)性能 金剛石具有非常優(yōu)異的光學(xué)特性。如圖1.7所示，除位于5μm附近由雙聲子吸收造成的微弱吸收峰外，金剛石從紫外到遠(yuǎn)紅外整個(gè)波段都具有高的透射率。由表1.2可以看出，金剛石折射率高，在波長(zhǎng)為5900nm時(shí)折射率達(dá)到0.241（玻璃的折射率是1.4～1.6），可以作為太陽能電池的防反射膜。金剛石具有極高的反射率，其反射臨界角較小，全反射的范圍寬，光容易發(fā)生全反射，反射光量大，從而產(chǎn)生很高的亮度。金剛石的閃爍就是閃光，即當(dāng)金剛石或者光源、觀察者相對(duì)移動(dòng)時(shí)其表面對(duì)于白光的反射。無色透明、結(jié)晶良好的八面體或者曲面體聚形鉆石即使不加切磨也可展露良好的閃光。像三棱鏡一樣，金剛石多樣的晶面能把通過折射、反射和全反射進(jìn)入晶體內(nèi)部的白光分解成白光的組成顏色—紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫等色光。金剛石出類拔萃的堅(jiān)硬的、平整光亮的晶面或解理面對(duì)白光的反射作用特別強(qiáng)烈，這種特殊的反光作用稱為金剛光澤。此外，金剛石有獨(dú)特的發(fā)光特性，曝曬后在暗室中可以發(fā)出淡青藍(lán)色的磷光，在天藍(lán)色紫外線的照射下可發(fā)出較強(qiáng)的亮光。采用陰極熒光對(duì)金剛石膜發(fā)射藍(lán)光，其發(fā)射能量為1.681eV，這可能與金剛石膜中的雜質(zhì)有關(guān)；同時(shí)，金剛石膜存在對(duì)1.681eV光發(fā)射的光吸收現(xiàn)象，測(cè)量結(jié)果表明，其光吸收的位置與合成金剛石的碳?xì)浔龋w積分?jǐn)?shù)比）有關(guān)。
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