硬脆材料切割用線鋸的金剛石磨料濃度概念探討①

劉志環(huán),羅文來,謝德龍,潘曉毅,肖樂銀,陳超

(1.廣西超硬材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣西桂林 541004;

2.國家特種礦物材料工程技術(shù)研究中心,廣西桂林 541004;

3.中國有色桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院,廣西桂林 541004)

硬脆材料切割用線鋸的金剛石磨料濃度概念探討①

劉志環(huán),羅文來,謝德龍,潘曉毅,肖樂銀,陳超

(1.廣西超硬材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣西桂林 541004;

2.國家特種礦物材料工程技術(shù)研究中心,廣西桂林 541004;

3.中國有色桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院,廣西桂林 541004)

文章根據(jù)金剛石線鋸的結(jié)構(gòu)特征,探討了“表鑲式”金剛石線鋸的金剛石濃度定義方法,提出了體積濃度、表面濃度、顆粒濃度等三種濃度概念和計(jì)算方法,研究對比了不同切割對象時濃度設(shè)計(jì)與工具性能的關(guān)系。研究結(jié)果表明,藍(lán)寶石切片線鋸金剛石體積濃度為21.13%、面積濃度為6.84%、顆粒濃度為71mm-2時,工具使用綜合效果較好。

線鋸;金剛石;濃度

1 前言

硅晶、藍(lán)寶石切割是太陽能電池片、LED襯底生產(chǎn)的重要工序,其中藍(lán)寶石切片、單晶硅切片、多晶硅切方已基本實(shí)現(xiàn)了金剛石線鋸切割法的應(yīng)用。金剛石線鋸在保證切割精度及表面質(zhì)量的同時,極大地提高了生產(chǎn)效率和線鋸的使用壽命,大大降低了綜合成本,屬于綠色低能耗產(chǎn)品,能滿足國家節(jié)能減排的政策要求。

貴重非金屬材料的切割大大增加了金剛石線鋸的需求,金剛石線鋸已經(jīng)成為超硬材料行業(yè)熱門研究領(lǐng)域之一。然而縱觀近年來的學(xué)術(shù)論文[1～4],金剛石線鋸研究主要還是圍繞著生產(chǎn)工藝、切割機(jī)理方面進(jìn)行,對于金剛石線鋸設(shè)計(jì)機(jī)理的研究還十分少見。

金剛石線鋸屬于單層“表鑲”線形工具,一般條件下,金剛石顆粒在線鋸表面雜亂分布,但是,分布數(shù)量的多少根據(jù)生產(chǎn)工藝調(diào)配后,也具有一定的規(guī)律,也就是說,與其它金剛石工具相同,應(yīng)當(dāng)具有“濃度”的概念。金剛石線鋸濃度設(shè)計(jì),應(yīng)當(dāng)與常用金剛石工具相似,對于切割效率、使用壽命、切割質(zhì)量等因素具有重要影響。本文引用超硬材料基礎(chǔ)概念,對金剛石線鋸“濃度”這一概念進(jìn)行了探討,相信將對線鋸開發(fā)具有一定的意義。

2 線鋸金剛石濃度概念的定義

金剛石工具參數(shù)一般包括:金剛石粒度和粒度組成、金剛石強(qiáng)度和金剛石濃度。以藍(lán)寶石切片用Φ0.25線鋸為例,金剛石粒度一般采用單一粒度,金剛石平均粒徑為35μm;由于鋸切對象藍(lán)寶石的硬度(HV21000)、強(qiáng)度很高,應(yīng)選擇進(jìn)口高強(qiáng)度金剛石微粉(國產(chǎn)金剛石微粉強(qiáng)度也逐步得到認(rèn)可);而剩余金剛石濃度設(shè)計(jì)為最重要的設(shè)計(jì)參數(shù),將決定線鋸的使用壽命、鋸切效率及表面質(zhì)量。

金剛石線鋸中包裹金剛石的胎體類型主要包括電鍍結(jié)合劑和樹脂結(jié)合劑,金剛石濃度參數(shù)表示方法與孕鑲工具濃度參數(shù)的表示方法有相同也有不同之處。由于樹脂線鋸應(yīng)用、生產(chǎn)目前還在開發(fā)階段,故本文只探討相對較成熟的電鍍“表鑲”金剛石線鋸。本文認(rèn)為線鋸的金剛石濃度可由3個指標(biāo)表示:體積濃度、表面濃度、單位面積顆粒數(shù)(顆粒濃度)。分別定義如下:

2.1 體積濃度

線鋸結(jié)構(gòu)組成和其它金剛石工具相似,如圖1所示,鋼絲為基體,預(yù)鍍層為過渡層,增厚層非金剛石部分為工作層胎體,金剛石為切削刃。

我們首先定義兩個概念:一是“工作層理論總體積”,表示增厚層全部剛好覆蓋金剛石后工作層總體積;二是“工作層實(shí)際總體積”,表示把持系數(shù)為x%時,實(shí)際增厚層與金剛石顆粒體積之和。

按照孕鑲工具體積濃度定義,線鋸工作層金剛石體積濃度本應(yīng)為:金剛石顆粒總體積/實(shí)際總體積。

但是,為了計(jì)算方便和便于橫向?qū)Ρ?我們定義電鍍線鋸金剛石體積濃度為金剛石顆粒總體積占理論總體積的比值,并以砂輪濃度制(400%)來計(jì)算,以ηv來表示體積濃度,由此可得公式為:

圖1 金剛石線鋸結(jié)構(gòu)組成示意圖其中:1-鋼絲;2-預(yù)鍍層;3-增厚層;4-金剛石Fig.1 Structure constitution of diamond wire 1-steel wire;2-pre-plating coating;3-thickening coating; 4-diamond

2.2 表面濃度

線鋸金剛石濃度除了用體積濃度的表示方法外,也可以用金剛石在線鋸圓周面的分布密集度來表示。金剛石的分布密集度既可以用金剛石顆粒分布面積濃度表示,也可以用單位面積金剛石顆粒數(shù)目表示。

我們將金剛石顆粒分布面積濃度稱為“表面濃度”,以ηf來表示。表面濃度分成兩種表示方法:一是理論表面濃度;二是實(shí)際表面濃度。一般應(yīng)用理論表面濃度表示。

理論表面濃度是指:金剛石在工作層表面的最大投影面積(包括不可見部分)之和除以工作層外表面總面積的比值(不計(jì)工作層對金剛石的把持系數(shù));

實(shí)際表面濃度是指:在一定把持系數(shù)x%條件下,金剛石在工作層表面實(shí)際投影面積之和除以工作層外表面實(shí)際總面積的比值。

由定義可知,表面濃度與體積濃度是相對應(yīng)的,表面濃度越高,體積濃度也越高。

2.3 單位面積顆粒數(shù)(顆粒濃度)

單位面積金剛石顆粒數(shù)我們?nèi)∶麨榫€鋸的“顆粒濃度”。

相同金剛石粒度,不同體積濃度和表面濃度,線鋸的鋸切性能可以有對比性;而不同金剛石粒度,體積濃度和表面濃度也不相同,則線鋸鋸切性能沒有可比性。這樣必須設(shè)計(jì)另一個濃度概念,我們定義為顆粒濃度,用以表示單位面積金剛石顆粒總數(shù)目。在金剛石粒度、線鋸線徑不同時,顆粒濃度是一個很重要的參數(shù);而在金剛石粒度、線鋸線徑相同時,顆粒濃度與體積濃度和表面濃度則是相對應(yīng)的。

顆粒濃度我們以ηk來表示,具體定義為:線鋸單位面積上出刃金剛石顆粒總數(shù)目。具體以一般1000mm長度、50%把持系數(shù)時線鋸工作表面上的金剛石顆粒數(shù)目計(jì)算。

3 線鋸表面金剛石濃度的計(jì)算過程舉例

圖2所示為目前各項(xiàng)性能較穩(wěn)定的日本Asahi Diamond Co.的Φ0.25mm藍(lán)寶石切片線鋸SEM圖片,放大倍數(shù)為130倍。金剛石平均粒徑為35μm,基體直徑為Φ0.18mm,預(yù)鍍層厚度為3μm。

圖2 Asahi Diamond Co.藍(lán)寶石切片線鋸Fig.2 Sapphire sawing diamond wire of Asahi Diamond Co.

由此可計(jì)算:

單位線長(以1000mm計(jì))工作層總表面積S:

工作層“理論總體積”V:

每一顆金剛石的最大投影面積S0:

根據(jù)旭金剛石線的相關(guān)放大圖片,我們共測量了30對金剛石長度與截面方向的相鄰兩顆金剛石顆粒的間距,通過求算術(shù)平均值可得旭金剛石線長度和截面方向金剛石平均間距都為Δ-=118.6μm;

每一顆金剛石的單位體積V0:

則1000mm線長金剛石總數(shù)量為

表面濃度

體積濃度

顆粒濃度

上述濃度計(jì)算結(jié)果即為旭金剛的藍(lán)寶石線鋸的三種金剛石濃度計(jì)算值,其中,方便與常規(guī)孕鑲工具對比的是體積濃度。由計(jì)算結(jié)果可知,藍(lán)寶石切片線鋸體積濃度為21.13%(按100%濃度制為5.28%),與常規(guī)的Φ105～Φ150小鋸片金剛石體積濃度相接近。而實(shí)際應(yīng)用證明,旭金剛的藍(lán)寶石線鋸具有較好的綜合性能,因此藍(lán)寶石切片線鋸的金剛石體積濃度設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)在此數(shù)值左右比較合理。

在金剛石平均粒徑相同的條件下,同一種線鋸的體積濃度、表面濃度、顆粒濃度具有對應(yīng)關(guān)系。表1列出了藍(lán)寶石切片線鋸在不同體積濃度時對應(yīng)的表面濃度、顆粒濃度及相鄰兩顆金剛石的平均間距。

為了計(jì)算方便,假設(shè)為線長方向和截面方向的金剛石間距都相同,金剛石平均粒徑為35μm,鋼絲直徑為180μm。

表1 不同體積濃度條件下各參數(shù)值對應(yīng)表(R=35μm,d=180μm)Table 1 The relations among various parameters in different volume-concentration(R=35μm,d=180μm)

從表格數(shù)據(jù)中可知不同體積濃度時對應(yīng)的相鄰金剛石平均間距、單位面積金剛石顆粒數(shù)目等參數(shù),這對于線鋸金剛石濃度設(shè)計(jì)、相關(guān)理論計(jì)算、加砂工藝量化等都具有重要意義。

4 幾種市售線鋸樣品的金剛石濃度分析

下面針對兩種市售線鋸樣品,采用上述方法分析計(jì)算各自金剛石濃度參數(shù),并根據(jù)線鋸使用情況分析線鋸金剛石濃度與性能的關(guān)系。

圖3為國內(nèi)某公司生產(chǎn)的藍(lán)寶石切片線鋸,根據(jù)圖片測量出相鄰金剛石平均間距約為61.83μm,由此可計(jì)算出該產(chǎn)品各種金剛石濃度參數(shù)值如表2所示。

表2國內(nèi)某公司藍(lán)寶石切片線鋸金剛石濃度計(jì)算值Table 2 The calculation of diamond concentrations of one company's sapphire sawing wire in China

圖3 國內(nèi)某公司藍(lán)寶石切割線鋸顯微圖Fig.3 The micrograph of one company's sapphire sawing wire

據(jù)了解,該產(chǎn)品存在鋸切效率低,斷線率相對較高等問題。通過濃度值可知,該產(chǎn)品體積濃度為77.7%,是日本旭金剛藍(lán)寶石線鋸產(chǎn)品的3.7倍;顆粒濃度,即單位面積金剛石顆粒數(shù)達(dá)到262顆,相較于旭金剛石線鋸的71顆增加了很多,雖然藍(lán)寶石切片基本采用“鐘擺式”切割法,大部分時間線鋸與藍(lán)寶石為“點(diǎn)接觸”,但是在鐘擺運(yùn)行到最大擺角時,在很短的時間內(nèi),線鋸與藍(lán)寶石接觸線長超過藍(lán)寶石半徑長度(具體切削機(jī)理將在以后的文章中探討),因此,線鋸單位面積金剛石顆粒數(shù)將決定單顆金剛石切入法向壓力,顆粒濃度越大,在整體切削進(jìn)給速度Vf相同的情況下,工作區(qū)域整體法向壓入作用力要求越高,而線鋸切向張緊力也隨之提高,顆粒濃度的增加要求線鋸加工時必須提供更大的張緊力,而且顆粒濃度增加也降低了線鋸截面的抗斷裂強(qiáng)度,因此斷線幾率必然增加。

圖4為德國某公司生產(chǎn)的切割陶瓷線鋸樣品,切割對象是六方BN。通過測量得到該樣品金剛石平均間距為53.47μm,由此計(jì)算出該線鋸各種濃度值,計(jì)算結(jié)果及線鋸規(guī)格見表3。該線鋸使用性能基本滿足要求,具有較好的綜合使用效果。

表3 切陶瓷金剛石線鋸參數(shù)檢測與計(jì)算結(jié)果Table 3 Testing and calculation of the parameters of ceramics sawing wire

圖4 陶瓷切割線鋸顯微圖片F(xiàn)ig.4 The micrograph of ceramics sawing wire

六方BN具有與石墨碳相同的晶體結(jié)構(gòu),其莫氏硬度也與石墨相同,通過檢測,石墨的顯微硬度僅為180MPa,與藍(lán)寶石的21000MPa相差很大。正是因?yàn)榍懈顚ο蟛馁|(zhì)硬度低,切割時只需要很小的張緊力和法向壓力就能夠達(dá)到所需的刻取深度,完成切割要求,因此線鋸金剛石濃度都較大,體積濃度達(dá)到148.2%,顆粒濃度達(dá)到349mm-2,由于較小的法向壓力就能產(chǎn)生較大的刻取深度,因此工具單位時間排屑量也較大,需要較大的排屑空間,所以該用途線鋸金剛石粒度也相應(yīng)增加。

5 總結(jié)

本文根據(jù)金剛石線鋸的結(jié)構(gòu)特征,探討了“表鑲式”金剛石線鋸的金剛石濃度定義方法,提出了體積濃度、表面濃度、顆粒濃度等三種濃度概念和計(jì)算方法,研究對比了不同切割對象時濃度設(shè)計(jì)與工具性能的關(guān)系。本文對于線鋸金剛石顆粒的量化設(shè)計(jì)、線鋸生產(chǎn)工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)、線鋸鋸切機(jī)理量化分析具有很好的參考意義。

[1]黃波,等.金剛石線鋸切割單晶硅表面缺陷與鋸絲磨損分析[J].金剛石與磨料磨具工程,2011(1).

[2]高玉飛,等.KDP晶體金剛石線鋸切割表面缺陷分析[J].人工晶體學(xué)報(bào),2013(7).

[3]王艷輝,等.金剛石微粉表面鍍覆對線鋸的關(guān)鍵作用分析[J].金剛石與磨料磨具工程,2013(3).

[4]高偉,等.金剛石線鋸懸浮上砂法制作工藝的研究[J].金剛石與磨料磨具工程,2013(1).

納米金剛石傳感器在細(xì)胞領(lǐng)域中應(yīng)用

金剛石中的雜質(zhì)不僅有顏色,而且可以通過雜質(zhì)使金剛石成為磁場和溫度領(lǐng)域的精確傳感器。當(dāng)雜質(zhì)遇到氮原子時,金剛石晶體結(jié)構(gòu)就會發(fā)生改變,一種稱為氮-空位中心的就會形成。氮-空位中心里的電子與量子自旋態(tài)呈現(xiàn)出了驚人的一致性,而且量子自旋態(tài)可以被精確的控制操作。如果納米金剛石內(nèi)部電子的連貫性能夠維持足夠長的時間,這樣我們不僅可以實(shí)現(xiàn)金剛石成為量子計(jì)算機(jī)的自旋載體材料之一,而且金剛石也會成為揭示神經(jīng)細(xì)胞秘密信息的完美裝置。

大塊金剛石的氮-空位中心可以儲存光子,并且攜帶有量子文件.新技術(shù)的發(fā)明,使得納米金剛石結(jié)構(gòu)可以通過進(jìn)入氮-空位中心,自組形成環(huán)形結(jié)構(gòu)量子,稱之SP1蛋白質(zhì)。但問題是以微秒單位計(jì)算的時候,納米金剛石的自旋連貫性很弱。如今劍橋大學(xué)研發(fā)人員已經(jīng)找到在精細(xì)人造金剛石中保護(hù)氮-空位中心旋轉(zhuǎn)的方法,而且旋轉(zhuǎn)一致性的測量也具有很高的分辨率。

除了以上劍橋大學(xué)研究出的方法外,沒有其它的方法可以讓只有幾十納米原子金剛石傳感器精確通過,這是目前所面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)。但是或許我們可以建立一個精密的查詢裝置,一旦有很多這樣的傳感器,卻找不出你所需要的時候,比如提取一個人細(xì)胞的重要器官或諸如此類的關(guān)鍵時刻,在成百個亞細(xì)胞器官里尋找就變得容易多了。

由于氮-空位中心會隨著溫度的變化而發(fā)出熒光,使得納米療法或者極小(大約兩千分之一開氏度)溫度變化的測量,甚至是在極小的空間(200納米范圍內(nèi))和時間范圍的測量都成為可能。研究人員主要是利用掃描共聚焦顯微鏡的方法測量所發(fā)出的熒光。這種顯微鏡可以遷移除了來自一個單一平面的光之外的所有光線,因?yàn)榈?空位中心對磁場和電子比較敏感,研究人員把它們當(dāng)作是一個DC磁強(qiáng)計(jì)進(jìn)行操作計(jì)算。因此,從本質(zhì)上說,研究人員可以證明核磁共振的光學(xué)檢測。

我們都知道,整個積極代謝細(xì)胞內(nèi)部的溫度環(huán)境是不一樣的,像線粒體和中心粒這樣的細(xì)胞活動是和局部細(xì)胞的熱點(diǎn)區(qū)密切相關(guān)的,甚至神經(jīng)元都有明顯的熱剖面峰值,其峰值熱量首先被細(xì)胞吸收,然后再被釋放出來。而利用納米金剛石出現(xiàn)的問題是一旦放到細(xì)胞內(nèi),就要一直保持原樣不動。雖然運(yùn)用其他方法已經(jīng)解決了溫度測量的困難,比如基因編碼熱傳感器。但是如果這些新納米金剛石可以附在蛋白質(zhì)上,像以上提到的SP1一樣,那么納米金剛石作為觀察和了解細(xì)胞秘密的完美工具就會實(shí)現(xiàn)。(中國行業(yè)研究網(wǎng))

Research on the concept of diamond concentration for diamond wire

LIU Zhi-huan,LUO Wen-lai,XIE De-long,PAN Xiao-yi,XIAO Le-yin,CHEN Chao
(1.Guangxi Key Laboratory of Superhard Materials,Guilin 541004,China; 2.National Special Mineral Materials Engineering Research Center,Guilin 541004,China; 3.China Nonferrous Metal(Guilin)Geology and Mining Co.,Ltd.,Guilin 541004,China)

In this paper,the concept of diamond concentration of face-beset diamond wire is researched based on the wire's structural feature.Three kinds of concentration concept are proposed,which are called volume-concentration,face-concentration and granuleconcentration.The relation between diamond concentration and tool performances is researchedas to different sawing materials.The results indicated that when the sapphire sawing diamond wire's volume-concentration is 21.13%,face-concentration is 6.84%, granule-concentration is 71 mm-2,the tool function is excellent.

diamond wire;diamond;concentration

TQ164

A

1673-1433(2013)06-0006-05

2014-01-20

劉志環(huán)(1983-),男,在讀博士,高級工程師,就職于國家特種礦物材料工程技術(shù)研究中心,長期從事超硬材料相關(guān)技術(shù)開發(fā)工作。

廣西青年基金面上項(xiàng)目(項(xiàng)目編號:2011GXNSFA018035);廣西超硬材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室專項(xiàng)經(jīng)費(fèi);科技部科研院所技術(shù)開發(fā)研究專

項(xiàng)(項(xiàng)目編號:2013EG115007);廣西科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(項(xiàng)目編號:桂科攻1348008-3)。

羅文來(1968-),男,教授級高級工程師,就職于中國有色桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院,長期從事超硬材料產(chǎn)品開發(fā)工作。