微波等離子體CVD法制金剛石薄膜涂層鉆頭

微波等離子體CVD法制金剛石薄膜涂層鉆頭報(bào)告人:謝鵬

武漢工程大學(xué)湖北省等離子體化學(xué)與新材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主要內(nèi)容

研究背景簡(jiǎn)介實(shí)驗(yàn)研究與結(jié)果分析結(jié)論研究背景現(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)合材料等高比強(qiáng)度材料（重量輕，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，只有金剛石工具才能勝任。金剛石具有最高的硬度

CVD金剛石膜用于工具加工領(lǐng)域飛機(jī)及汽車行業(yè)中大量使用高比強(qiáng)度材料如鋁合金，鎂合金，鈦合金，碳纖維等，金剛石膜工具在這些領(lǐng)域有著巨大的市場(chǎng)。例如：僅美國(guó)波音飛機(jī)制造公司一年僅鉆頭的消耗量為110萬(wàn)個(gè)(1995年）。研究背景天然金剛石形狀不規(guī)則，難以進(jìn)行焊接和刃磨聚晶金剛石不適合做鉆頭，適合做圓片形狀研究背景金剛石鉆頭將金剛石厚膜切割成長(zhǎng)條狀，然后鑲嵌到鉆頭座套中，制成金剛石鉆頭，主要用于地質(zhì)鉆探應(yīng)用。研究背景

集成電路板(PCB)，為纖維增強(qiáng)并含有多層銅箔的復(fù)合材料，在生產(chǎn)過(guò)程中需要加工大量0.2~0.8mm的小孔，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(lái)延長(zhǎng)其壽命。實(shí)驗(yàn)裝置5KW-MWPCVD沉積金剛石膜裝置實(shí)物照片

實(shí)驗(yàn)裝置5KW-MWPCVD沉積金剛石膜裝置結(jié)構(gòu)示意圖實(shí)驗(yàn)研究與結(jié)果分析表1金剛石涂層的實(shí)驗(yàn)參數(shù)Table1Thedepositionconditionsusedtoproducediamondfilms氫氣流量（sccm）225甲烷流量（sccm）10(形核30min)6(生長(zhǎng)4h)基體溫度（℃）700~750腔體壓力（kPa）2.5~3.0總沉積時(shí)間（h）4.5實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

酸腐蝕后鉆頭表面的形貌(a)及能譜圖(b)

實(shí)驗(yàn)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，即使沉積上了，主要是非金剛石的無(wú)定型碳，這就是一種“尖端效應(yīng)”。這種“尖端效應(yīng)”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(chǎng)和電場(chǎng)發(fā)生畸變，導(dǎo)致在鉆頭尖端金剛石沉積很困難。鉆頭的屏蔽方式實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

屏蔽后鉆頭不同位置處沉積的金剛石涂層形貌實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析鉆頭尖端處金剛石涂層的激光拉曼光譜

實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析附著力測(cè)試

將沒(méi)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，各鉆30個(gè)孔。鉆孔的鉆床為普通鉆床，轉(zhuǎn)速為1320轉(zhuǎn)/分，鉆孔的深度為5mm。實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

(a)未鍍膜(b)鍍膜鉆頭(c)鍍膜鉆頭局部放大涂層鉆頭和未涂層鉆頭鉆孔后的SEM圖

結(jié)論

在微波等離子體CVD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(guò)程中，產(chǎn)生了“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，成功的克服了上述的“尖端效應(yīng)”，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，沿鉆頭長(zhǎng)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（100）晶面。鉆頭上薄膜的附著力很好，鍍有金