專利名稱：一種碳納米管軟磨料砂輪制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于軟脆功能晶體加工技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及Il一VI化合物軟脆功能
晶體與軟脆光電晶體的磨削加工方法。
背景技術(shù)：
隨著n—vi化學(xué)物軟脆晶體以及軟脆光電晶體在軍事、國防、航空、航天、 國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，這類n—vi化學(xué)物軟脆功能晶體及軟脆光電晶體的 精密超精密加工技術(shù)成為核心關(guān)鍵制造技術(shù)。然而這種新興的軟脆功能晶體、
如HgCdTe、 CdZnTe、 HgMnTe、 HglnTe、 CdMnTe，要求表面具有亞納米精度、 高平面度、高表面質(zhì)量與完整件，成為一種難加丄材料。這種軟脆功能晶體不 同于目前廣泛應(yīng)用的硬脆晶體，如Si片'、金剛石晶圓、MgO晶體、藍(lán)寶石晶體， 也不同于傳統(tǒng)的軟塑材料，如銅、鐵、鋁。釆用傳統(tǒng)的加工機(jī)床獲得亞納米精 度的加工表面，以及高平面度和完整性的加工質(zhì)量是極其困難的。傳統(tǒng)加工方 法、如車削、銑削、磨削等，車削刀具的輕微顫動(dòng)，就極容易造成軟脆晶體的 破裂、微劃痕、亞表面損傷等缺陷。而目前對CdZnTe軟脆晶體還是采用傳統(tǒng)的 加工方法機(jī)械研磨一機(jī)械拋光一化學(xué)腐蝕的方法加工，這種方法采用MgO、 八1203作為游離磨料，而這種游離磨料極其容易嵌入軟脆晶體內(nèi)， 一旦嵌入，很 難消除，即使能消除部分嵌入，也會(huì)留下較大的凹坑、微裂紋，塑性變形等缺 陷；而最后采用的化學(xué)腐蝕方法，雖然可以去除部分亞表面損傷層，但是不能 完全清除游離磨料嵌入、微劃痕等缺陷，而且經(jīng)過化學(xué)腐蝕后的加工表面，會(huì)留下很多的類似小溪的腐蝕溝。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種碳納米管軟磨料砂輪制備方法，采用固結(jié)碳納米 管以及軟磨料基體的方法，并利用碳納米管可控?cái)?shù)字化排布具有高熱導(dǎo)率、高 抗腐蝕性、高耐磨性、高柔軟度的特點(diǎn)，解決目前采用傳統(tǒng)加工方法加工軟脆 功能晶體時(shí)游離磨料的嵌入、生產(chǎn)效率低下、劃傷、易碎、廢品率高的缺點(diǎn)。
本發(fā)明的技術(shù)方案是采用直徑為l-20nm的單壁、雙壁、多壁碳納米管作為 軟磨料，選用聚氨酯、高分子化合物、磨砂革、合成革、金絲絨、絨毛、化纖 材料作為碳納米管軟磨料砂輪的基體材料，碳納米管在軟磨料基體內(nèi)的體積含 量含量為1-30%(V/V)。
采用精密網(wǎng)篩、機(jī)械操作的方法實(shí)現(xiàn)碳納米管在軟磨料基體內(nèi)的可控?cái)?shù)字 化排布，將碳納米管按照與磨削表面垂直、平行、傾斜的方法進(jìn)行可控?cái)?shù)字化 排布，傾斜角度典型的為15°， 30°， 45°， 60°， 75°，然后采用激光融覆、激光 快速成形、熱壓成形方法實(shí)現(xiàn)碳納米管在軟磨料基體內(nèi)的定形，然后經(jīng)涂層、 發(fā)泡、削平、拉毛工藝方法制備碳納米管軟磨料砂輪?；蛘卟捎脤⑻技{米管束 粘接或者直接拉絲成三角形、矩形、半圓形，用防水、防酸或者防堿的樹脂膠、 高分子聚合物膠、有機(jī)與無機(jī)膠粘貼于軟磨料砂輪的表面，作為磨削表面使用。 由于碳納米管具有高熱導(dǎo)率、高硬度、高柔韌性、高抗腐蝕性、高吸附性等優(yōu) 點(diǎn)，.宋用碳納米管可控?cái)?shù)字化排布技術(shù)制備的軟磨料砂輪，砂輪的導(dǎo)熱性、耐 磨性、柔韌性、吸附磨削液及磨屑性能、抗腐蝕性等方面均會(huì)得到加強(qiáng)。
為了增加碳納米管軟磨料砂輪的容液性、容屑性以及導(dǎo)熱性，采用碳酸鹽、 碳酸氫鹽作為發(fā)泡劑，發(fā)泡劑的體積含量為1-5%,同時(shí)采用機(jī)械微細(xì)針打孔、 激光打孔的方法增加碳納米管軟磨料砂輪的孔隙率。為了增加高速磨削時(shí)的磨削液與工件的反應(yīng)速度、導(dǎo)熱性、容屑性等性能， 采用機(jī)械、激光、磨具熱壓成形方法在碳納米管軟磨料砂輪表面制備矩形、三 角形、圓形、橢圓、流線形微構(gòu)形，增加碳納米管軟磨料砂輪的容液量和容屑
制備碳納米管軟磨料砂輪熱壓成形溫度為150-250°C，熱壓成形時(shí)間為2-3 h。采用激光融覆、激光快速成形方法定形碳納米管時(shí)選用C02氣體激光器、Nd: YAG固體脈沖激光器、氬離子激光器即可。
采用上述的在磨削表面制造微構(gòu)形、內(nèi)部進(jìn)行發(fā)泡、增加孔隙率的方法， 同時(shí)實(shí)現(xiàn)碳納米管的可控?cái)?shù)字化排布等方法，碳納米管軟磨料砂輪具有柔韌的 碳納米管網(wǎng)絡(luò)、高導(dǎo)熱性、高容液量及容屑量、高耐磨性、高抗腐蝕性等優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明的效果和益處是與目前采用的傳統(tǒng)的機(jī)械研磨一機(jī)械拋光一化學(xué)腐 蝕方法相比，采用固結(jié)碳納米管以及高分子聚合物、化纖材料作為軟磨料，不 產(chǎn)生游離磨料，避免了游離磨料在軟脆功能晶體表面的嵌入問題，同時(shí)由于這 種砂輪具有高導(dǎo)熱性、高柔韌性、高耐磨性、高孔隙性、高抗腐蝕性等優(yōu)點(diǎn)， 同時(shí)口I以與無磨料化學(xué)機(jī)械磨削液一起使用，主要采用化學(xué)機(jī)械磨削液的化學(xué) 溶解作用去除材料，可以產(chǎn)生無應(yīng)力、無微劃痕、無游離磨料嵌入、無微劃痕、 崩邊等缺陷的超光滑無損傷表面，實(shí)現(xiàn)高效無應(yīng)力超精密磨削，獲得超光滑無 損傷表面，大大提高生產(chǎn)效率與加工質(zhì)量。


附圖是制備的碳納米管軟磨料砂輪示意圖。
圖中l(wèi)鋁基底，2樹脂膠，3碳納米管軟磨料砂輪。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合技術(shù)方案及附圖詳細(xì)敘述本發(fā)明的具體實(shí)施方式
。
采用直徑為10 nm的單壁碳納米管，采用精密網(wǎng)篩進(jìn)行碳納米管的可控?cái)?shù) 字化排布，按照與磨削平面平行的方式排布碳納米管，然后采用層層平鋪激光 定形的方法將碳納米管初步固定在聚氨酯軟磨料基體內(nèi)。采用NaHC03作為發(fā) 泡劑，在聚氨酯內(nèi)的體積含量為2%，采用攪拌器混合均勻。碳納米管在軟磨料 基體內(nèi)的定形采用手工平鋪與Nd:YAG固體脈沖激光器熔融相結(jié)合的方式進(jìn)行， 采用熱壓成形方法制備碳納米管軟磨料砂輪。采用單齒錳鋼磨具，熱壓成形溫 度為20(TC，熱壓成形時(shí)間為2h。共壓制丫 36個(gè)齒，每個(gè)齒高為2mm，寬4mm， 長25 mm，然后經(jīng)過削平、拉毛工藝，制備成砂輪單齒。用防水防酸樹脂膠粘 貼于直徑為4)360mm的鋁基底上，經(jīng)過動(dòng)平衡試驗(yàn)穩(wěn)定后，即可安裝于VG401 MKII精密平面磨床上進(jìn)行化學(xué)機(jī)械磨削試驗(yàn)。碳納米管軟磨料砂輪示意圖如附 圖所示。
首先將尺寸為10mmxl0mmx2mm3 Cda96Zn0.04Te (111)單晶片，其紅外光 透過率>60%，用真空吸盤固定于工作臺(tái)匕由于真空吸盤較大，采用聚乙烯塑 料薄膜挖出8x8mn^的？L，即可完成真空吸盤自動(dòng)裝卡晶片的工作。采用#5000 微粉金剛石砂輪進(jìn)行初歩的精密加工，主軸轉(zhuǎn)速2000 r/min,工作臺(tái)轉(zhuǎn)速400 r/min，主軸進(jìn)給速度為15 pm/min，時(shí)間為10 min。然后主軸進(jìn)給速度為5 pm/min，磨削時(shí)間為5 min，最后主軸進(jìn)給速度為1 pm/min，磨削時(shí)間為1 min。 微粉金剛石砂輪精密磨削的冷卻液為去離子水，流量為300ml/min。
然后安裝碳納米管軟磨料砂輪，化學(xué)機(jī)械磨削液采用無磨料硝酸、鹽酸、醋 酸的混合溶液，pH值為2.1-3.3，流量為200 ml/min。主軸轉(zhuǎn)速為500 r/min， T作臺(tái)轉(zhuǎn)速為200r/min，化學(xué)機(jī)械磨削液磨削時(shí)間為15 min。采用美國ZYGO非接觸表面形貌儀測試加工后的CdZnTe單晶片表面粗糙 度，觀懂面積為71X53拜2，表面粗糙度Ra為0.753 nm， PV為8廳，獲得了
超光滑無損傷的高效超精密加工效果。
權(quán)利要求
1.一種碳納米管軟磨料砂輪制備方法，采用聚氨酯高分子聚合物以及化纖材料作為軟磨料基體，將碳納米管實(shí)現(xiàn)可控?cái)?shù)字化排布在軟磨料基體內(nèi)，實(shí)現(xiàn)高效無應(yīng)力磨削軟脆功能晶體的目的，其特征是(1)采用直徑為1-20nm的單壁、雙壁、多壁碳納米管作為軟磨料，碳納米管在軟磨料基體內(nèi)的含量為1-30％(V/V)；(2)選用聚氨酯、高分子化合物、磨砂革、合成革、金絲絨、絨毛、化纖材料作為碳納米管軟磨料砂輪的基體材料；(3)將碳納米管在軟磨料基體內(nèi)實(shí)現(xiàn)可控?cái)?shù)字化排布，將碳納米管按照與磨削表面垂直、平行、傾斜的方式進(jìn)行可控?cái)?shù)字化排布，或者將碳納米管束制備成三角形、矩形、半圓形粘貼于軟磨料基體表面，作為磨削面使用；(4)采用碳酸鹽、碳酸氫鹽作為發(fā)泡劑，發(fā)泡劑的體積含量為1-5％，同時(shí)采用機(jī)械微細(xì)針打孔、激光打孔的方法增加碳納米管軟磨料砂輪的孔隙率；(5)采用機(jī)械、激光、磨具熱壓成形方法在碳納米管軟磨料砂輪表面制備矩形、三角形、圓形、橢圓、流線形微構(gòu)形，增加碳納米管軟磨料砂輪的容液量和容屑量。
全文摘要
一種碳納米管軟磨料砂輪制備方法，屬于軟脆功能晶體加工技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及II-VI化合物軟脆功能晶體與軟脆光電功能晶體的超精密磨削加工方法。其特征是采用碳納米管作為軟磨料，以高分子聚合物以及化纖材料作為軟磨料砂輪基體，實(shí)現(xiàn)碳納米管在軟磨料基體內(nèi)的可控?cái)?shù)字化排布，采用熱壓成形、激光快速成形、激光融覆的方法制備軟磨料砂輪。內(nèi)部的孔隙采用碳酸鹽、碳酸氫鹽作為發(fā)泡劑，表面的微構(gòu)形采用機(jī)械拉毛、激光、熱壓成形方法制備。本發(fā)明的效果和益處是碳納米管軟磨料砂輪具有高柔韌性、高抗腐蝕性、高熱導(dǎo)率、高耐磨性系列優(yōu)點(diǎn)。采用固結(jié)碳納米管軟磨料的方法實(shí)現(xiàn)高效無應(yīng)力磨削，獲得了高效無應(yīng)力超精密磨削加工效果。
文檔編號B24D18/00GK101491891SQ20091001046
公開日2009年7月29日 申請日期2009年2月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月23日
發(fā)明者周紅秀, 康仁科, 張振宇, 郭東明, 航 高 申請人:大連理工大學(xué)