1、微波等離子體微波等離子體cvd法制金剛法制金剛石薄膜涂層鉆頭石薄膜涂層鉆頭報告人:謝 鵬第十三屆全國微波能應(yīng)用學(xué)術(shù)會議第十三屆全國微波能應(yīng)用學(xué)術(shù)會議 湖南湖南 長沙長沙 武漢工程大學(xué)湖北省等離子體化學(xué)與新材料重點實驗室主要內(nèi)容主要內(nèi)容 研究背景簡介研究背景簡介 實驗研究與結(jié)果分析實驗研究與結(jié)果分析 結(jié)論結(jié)論研究背景研究背景 鉆頭作為一種孔加工工具，在各種材料的加工中應(yīng)用非鉆頭作為一種孔加工工具，在各種材料的加工中應(yīng)用非常廣闊。隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，需要加工的材料種類越來越常廣闊。隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，需要加工的材料種類越來越多，材料硬度和加工精度要求不斷提高，相繼又采用不同型多，材料硬度和加工精度

2、要求不斷提高，相繼又采用不同型號的硬質(zhì)合金鉆頭；當(dāng)硬質(zhì)合金不能滿足使用要求時，各種號的硬質(zhì)合金鉆頭；當(dāng)硬質(zhì)合金不能滿足使用要求時，各種涂層如涂層如al2o3、tin、tic、sic、c等鉆頭又被應(yīng)用到加工行等鉆頭又被應(yīng)用到加工行業(yè)中，使工具的加工速率和使用壽命明顯提高。業(yè)中，使工具的加工速率和使用壽命明顯提高。 科技的發(fā)展使得更多的新材料被采用，如特種陶瓷、磁科技的發(fā)展使得更多的新材料被采用，如特種陶瓷、磁性材料、特種合金等，傳統(tǒng)的鉆頭難以勝任這些材料的加工性材料、特種合金等，傳統(tǒng)的鉆頭難以勝任這些材料的加工。激光和電火花加工則效率較低，某些尺寸范圍的加工還難。激光和電火花加工則效率較低，某些

3、尺寸范圍的加工還難以做到，成為新產(chǎn)品的設(shè)計和生產(chǎn)之間的障礙以做到，成為新產(chǎn)品的設(shè)計和生產(chǎn)之間的障礙 。 現(xiàn)在軍事以及民用方面大量使用碳纖維增強(qiáng)塑料，現(xiàn)在軍事以及民用方面大量使用碳纖維增強(qiáng)塑料，陶瓷材料，金屬基復(fù)合材料等陶瓷材料，金屬基復(fù)合材料等高比強(qiáng)度材料高比強(qiáng)度材料（重量重量輕，強(qiáng)度大）制備產(chǎn)品，在小型甚至微型產(chǎn)品中這輕，強(qiáng)度大）制備產(chǎn)品，在小型甚至微型產(chǎn)品中這類材料使用比例尤其高。要加工質(zhì)量達(dá)到所需精度，類材料使用比例尤其高。要加工質(zhì)量達(dá)到所需精度，只有金剛石工具才能勝任只有金剛石工具才能勝任。 金剛石具有最高的硬度 cvdcvd金剛石膜用于工具加工領(lǐng)域金剛石膜用于工具加工領(lǐng)域 飛機(jī)及汽車

4、行業(yè)中大量使用飛機(jī)及汽車行業(yè)中大量使用高比強(qiáng)度材料如鋁合金，鎂高比強(qiáng)度材料如鋁合金，鎂合金，鈦合金，碳纖維等，合金，鈦合金，碳纖維等，金剛石膜工具在這些領(lǐng)域有金剛石膜工具在這些領(lǐng)域有著巨大的市場。例如：僅美著巨大的市場。例如：僅美國波音飛機(jī)制造公司一年僅國波音飛機(jī)制造公司一年僅鉆頭的消耗量為鉆頭的消耗量為110110萬個萬個(1995(1995年）。年）。研究背景研究背景天然金剛石天然金剛石形狀不規(guī)則，難以進(jìn)行焊接和形狀不規(guī)則，難以進(jìn)行焊接和刃磨刃磨聚晶金剛石聚晶金剛石不適合做鉆頭，適合做圓片形不適合做鉆頭，適合做圓片形狀狀 研究背景研究背景金剛石鉆頭金剛石鉆頭 將金剛石厚膜切割成長條狀，然后

5、鑲嵌到將金剛石厚膜切割成長條狀，然后鑲嵌到鉆頭座套中，制成金剛石鉆頭，主要用于鉆頭座套中，制成金剛石鉆頭，主要用于地質(zhì)鉆探應(yīng)用地質(zhì)鉆探應(yīng)用。研究背景研究背景 集成電路板集成電路板(pcb) ，為纖維增強(qiáng)并含有多層銅箔的復(fù)合，為纖維增強(qiáng)并含有多層銅箔的復(fù)合材料材料 ，在生產(chǎn)過程中需要加工大量，在生產(chǎn)過程中需要加工大量0.20.8mm的小孔的小孔 ，硬，硬質(zhì)合金微型鉆頭磨損比較嚴(yán)重。需要制備金剛石薄膜涂層來質(zhì)合金微型鉆頭磨損比較嚴(yán)重。需要制備金剛石薄膜涂層來延長其壽命。延長其壽命。實驗裝置實驗裝置5kw-mwpcvd沉積金剛石膜裝置實物照片 實驗裝置實驗裝置5kw-mwpcvd沉積金剛石膜裝置結(jié)構(gòu)

6、示意圖實驗研究與結(jié)果分析實驗研究與結(jié)果分析表表1 金剛石涂層的實驗參數(shù)金剛石涂層的實驗參數(shù)table 1 the deposition conditions used to produce diamond films氫氣流量（sccm）225甲烷流量（sccm）10 (形核30min)6 (生長4h)基體溫度（）700750腔體壓力（kpa）2.53.0總沉積時間（h）4.5實驗結(jié)果分析實驗結(jié)果分析 酸腐蝕后鉆頭表面的形貌酸腐蝕后鉆頭表面的形貌(a)及能譜圖及能譜圖(b) 實驗結(jié)果分析實驗結(jié)果分析 觀察發(fā)現(xiàn)，在鉆頭尖端的切削刃處，很難沉積出金剛石薄膜觀察發(fā)現(xiàn)，在鉆頭尖端的切削刃處，很難沉積出金

7、剛石薄膜，即使沉積上了，主要是非金剛石的無定型碳，這就是一種，即使沉積上了，主要是非金剛石的無定型碳，這就是一種“尖端尖端效應(yīng)效應(yīng)”。這種。這種“尖端效應(yīng)尖端效應(yīng)”是一種形狀效應(yīng)，由于形狀的突變使鉆是一種形狀效應(yīng)，由于形狀的突變使鉆頭尖端附近溫度場和電場發(fā)生畸變，導(dǎo)致在鉆頭尖端金剛石沉積很頭尖端附近溫度場和電場發(fā)生畸變，導(dǎo)致在鉆頭尖端金剛石沉積很困難。困難。 鉆頭的屏蔽方式鉆頭的屏蔽方式實驗結(jié)果分析實驗結(jié)果分析 屏蔽后鉆頭不同屏蔽后鉆頭不同位置處沉積的金剛石位置處沉積的金剛石涂層形貌涂層形貌實驗結(jié)果分析實驗結(jié)果分析鉆頭尖端處金剛石涂層的激光拉曼光譜鉆頭尖端處金剛石涂層的激光拉曼光譜 實驗結(jié)果分

8、析實驗結(jié)果分析附著力測試附著力測試 將沒有鍍膜的鉆頭和已鍍膜的鉆頭在將沒有鍍膜的鉆頭和已鍍膜的鉆頭在碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料上鉆孔，各碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料上鉆孔，各鉆鉆30個孔。鉆孔的鉆床為普通鉆床，轉(zhuǎn)速個孔。鉆孔的鉆床為普通鉆床，轉(zhuǎn)速為為1320轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)/分，鉆孔的深度為分，鉆孔的深度為5mm。 實驗結(jié)果分析實驗結(jié)果分析 (a)未鍍膜未鍍膜 (b) 鍍膜鉆頭鍍膜鉆頭 (c)鍍膜鉆頭局部放大鍍膜鉆頭局部放大涂層鉆頭和未涂層鉆頭鉆孔后的涂層鉆頭和未涂層鉆頭鉆孔后的sem圖圖 結(jié)結(jié) 論論 在微波等離子體在微波等離子體cvd裝置中成功的在硬質(zhì)合金鉆頭裝置中成功的在硬質(zhì)合金鉆頭上沉積了金剛石涂層。在沉積過程中，產(chǎn)生了上沉積了金剛石涂層。在沉積過程中，產(chǎn)生了“尖端效應(yīng)尖端效應(yīng)”，在鉆頭尖端很難沉積出金剛石涂層，采用金屬絲屏蔽，在鉆頭尖端很難沉積出金剛石涂層，采用金屬絲屏蔽，成功的克服了上述的，成功的克服了上述的“尖端效應(yīng)尖端效應(yīng)”，在鉆頭尖端成功的，在鉆頭尖端成功的獲得了金剛石涂層。由于存在等離子體密度的不均勻性，獲得了金剛石涂層。由于存在等離子體密度的不均勻性，沿鉆頭長度方向金剛石涂層的形貌呈現(xiàn)一定的變化，由（沿鉆頭長度方向金剛石涂層的形貌呈現(xiàn)一定的變化，由（111）晶面變化到（）晶面變化到（100）晶面。鉆頭上薄膜的附著力很好）晶面。鉆頭上薄膜的附著力很好，鍍有