基于飞秒激光的CVD金刚石涂层抛光技术研究

发布时间：2020-05-13 01:09

【摘要】：CVD金刚石涂层具有硬度高、热导率高、绝缘性好、耐高温等特点,因此广泛沉积于各类刀具表面,以增强刀具表面硬度、耐磨性、以及使用寿命。但沉积的金刚石涂层具有较高的表面粗糙度,严重制约了在精密领域上的应用。因此,获得低的粗糙度表面是迫切需要解决的难题。虽然传统激光抛光技术在现实应用中取得了一些成果,但存在成本高,效率低等缺点,不适合对金刚石涂层进行抛光。由于飞秒激光具有脉冲宽度短、峰值功率高、加工热影响区小等优势,所以本课题采用飞秒激光对CVD金刚石涂层进行超精密抛光。其主要研究内容如下:(1)总结了CVD金刚石涂层抛光现状。结合国内外文献,概括CVD金刚石的传统抛光法存在的问题与不足。对此,提出飞秒激光抛光的新方法,并阐述了飞秒激光加工超硬材料的研究进展。(2)开展了飞秒激光与CVD金刚石涂层能量耦合及相互作用机理研究。建立了飞秒激光热源产生及热源能量分布的数学模型,并对材料与飞秒激光能量相互耦合过程中产生的多光子电离、雪崩电离、相爆炸、库伦爆炸以及周期性条纹结构的形成机制进行了系统性阐述,得出CVD金刚石涂层在飞秒激光作用下烧蚀去除的本质。(3)开展了飞秒激光抛光CVD金刚石涂层的试验研究。分析不同的飞秒激光加工参数(激光功率、重复频率、扫描速度)对加工结果的影响,结果显示:飞秒激光功率和扫描速度对表面粗糙度、表面微观形貌以及材料去除率有很大的影响;而重复频率对加工结果影响较小。通过多组试验分析得出:在飞秒激光功率100mW,扫描速度1.6mm/s时,抛光CVD金刚石涂层表面得到的粗糙度最低约为0.149μm;采用白光干涉仪、扫描电镜、拉曼光谱对金刚石涂层进行检测表征,结果表明:飞秒激光抛光区域不仅粗糙度明显降低,而且涂层表面更具有致密性以及无严重程度石墨化,基本符合CVD金刚石涂层低摩擦表面的要求;依据烧蚀切口形貌建立数学模型,通过数值拟合方法得出CVD金刚石涂层在不同功率下的最大去除率,从而提高了激光能量的利用率。
【图文】：

平面分布,石墨结构,金刚石,碳原子

安徽建筑大学硕士学位论文第一章电子发生杂化时，即导致了金刚石和石墨的形成。金刚石结构:金刚石是典型的原子晶体，其电子结构式为2 1 1 1 1x y zC:1s 2s 2p 2p 2p，核外电子发生3sp 杂化生成四个分别与其他碳原子相结合的键，如图 1.1(a)所示在金刚石晶体中，一个碳原子在四面体中心，另外四个碳原子分别在键相连的顶上，两键夹角为 109028'，键长约为 0.1544450nm。石墨结构:在石墨晶体中，，碳原子2s轨道上一个电子转移至2p轨道，即2sp 杂化产生三个键分别与其他碳原子相结合，如下图 1.1(b)所示，其电子结构式。三个键呈平面分布，且键键夹角为 1200。另外一个未杂化zp 轨道上电子与另外碳原子中的电子相结合生成 π 键，且位于键的上下方。此，石墨是平面多层状的晶体。

表面微观形貌,金刚石涂层,金刚石薄膜

电阻率/Ω.cm 1016＞1012击穿电压/（V/cm） 3.5E6电子迁移率/[cm2/(V.s)] 2200空穴迁移率/[cm2/(V.s)] 1600饱和电子漂移速度/（cm/s） 2.5E7相对介电常数 3.2 5.5产生电子空穴对能量/eV 131.2.1.5 金刚石涂层表征金刚石涂层主要是多晶金刚石薄膜，现如今金刚石薄膜主要由低压化学气相形成。目前，可用扫描电镜、拉曼光谱、XRD 等仪器对金刚石薄膜来进行表征析。借用扫描电镜可以观察金刚石薄膜表面微观形貌、晶型以及形核密度，如图（a）所示，借用拉曼光谱可对金刚石薄膜的碳相成分进行分析检测，如图 1.2所示[1]。
【学位授予单位】：安徽建筑大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN249;TB306

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