劉志環(huán),羅文來(lái),謝德龍,潘曉毅,肖樂(lè)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(guó)家特種礦物材料工程技術(shù)研究中心,廣西桂林 541004;

3.中國(guó)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(lái),謝德龍,潘曉毅,肖樂(lè)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(guó)家特種礦物材料工程技術(shù)研究中心,廣西桂林 541004;

3.中國(guó)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(duì)比了不同切割對(duì)象時(shí)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(shí),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(yáng)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(shí),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(guó)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(mén)研究領(lǐng)域之一。然而縱觀近年來(lái)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(duì)于金剛石線鋸設(shè)計(jì)機(jī)理的研究還十分少見(jiàn)。

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(shuō),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(duì)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(duì)金剛石線鋸“濃度”這一概念進(jìn)行了探討,相信將對(duì)線鋸開(kāi)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(duì)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(guó)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(shù)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(shù)脂線鋸應(yīng)用、生產(chǎn)目前還在開(kāi)發(fā)階段,故本文只探討相對(duì)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(gè)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(guò)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(gè)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(shí),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?？傮w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?？傮w積占理論總體積的比值,并以砂輪濃度制(400%)來(lái)計(jì)算,以ηv來(lái)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(lái)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(lái)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(jiàn)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(duì)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(duì)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(duì)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(méi)有可比性。這樣必須設(shè)計(jì)另一個(gè)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(shí),顆粒濃度是一個(gè)很重要的參數(shù);而在金剛石粒度、線鋸線徑相同時(shí),顆粒濃度與體積濃度和表面濃度則是相對(duì)應(yīng)的。

顆粒濃度我們以ηk來(lái)表示,具體定義為:線鋸單位面積上出刃金剛石顆?？倲?shù)目。具體以一般1000mm長(zhǎng)度、50%把持系數(shù)時(shí)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(guò)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(zhǎng)(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(cè)量了30對(duì)金剛石長(zhǎng)度與截面方向的相鄰兩顆金剛石顆粒的間距,通過(guò)求算術(shù)平均值可得旭金剛石線長(zhǎng)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(zhǎng)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(duì)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(duì)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(shí)對(duì)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(zhǎng)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(duì)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(shí)對(duì)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(duì)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(duì)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(guó)內(nèi)某公司生產(chǎn)的藍(lán)寶石切片線鋸,根據(jù)圖片測(cè)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(guó)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(guó)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(duì)較高等問(wèn)題。通過(guò)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(shí)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(shí),在很短的時(shí)間內(nèi),線鋸與藍(lán)寶石接觸線長(zhǎng)超過(guò)藍(lán)寶石半徑長(zhǎng)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(shí)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(guó)某公司生產(chǎn)的切割陶瓷線鋸樣品,切割對(duì)象是六方BN。通過(guò)測(cè)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(jiàn)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(cè)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(guò)檢測(cè),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?duì)象材質(zhì)硬度低,切割時(shí)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(shí)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(duì)比了不同切割對(duì)象時(shí)濃度設(shè)計(jì)與工具性能的關(guān)系。本文對(duì)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(duì)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(guò)雜質(zhì)使金剛石成為磁場(chǎng)和溫度領(lǐng)域的精確傳感器。當(dāng)雜質(zhì)遇到氮原子時(shí),金剛石晶體結(jié)構(gòu)就會(huì)發(fā)生改變,一種稱為氮-空位中心的就會(huì)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(zhǎng)的時(shí)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(huì)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(chǔ)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(guò)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(wèn)題是以微秒單位計(jì)算的時(shí)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(cè)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(méi)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(guò),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(gè)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(shí)候,比如提取一個(gè)人細(xì)胞的重要器官或諸如此類的關(guān)鍵時(shí)刻,在成百個(gè)亞細(xì)胞器官里尋找就變得容易多了。

由于氮-空位中心會(huì)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(kāi)氏度)溫度變化的測(cè)量,甚至是在極小的空間(200納米范圍內(nèi))和時(shí)間范圍的測(cè)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(cè)量所發(fā)出的熒光。這種顯微鏡可以遷移除了來(lái)自一個(gè)單一平面的光之外的所有光線,因?yàn)榈?空位中心對(duì)磁場(chǎng)和電子比較敏感,研究人員把它們當(dāng)作是一個(gè)DC磁強(qiáng)計(jì)進(jìn)行操作計(jì)算。因此,從本質(zhì)上說(shuō),研究人員可以證明核磁共振的光學(xué)檢測(cè)。

我們都知道,整個(gè)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(dòng)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(lái)。而利用納米金剛石出現(xiàn)的問(wèn)題是一旦放到細(xì)胞內(nèi),就要一直保持原樣不動(dòng)。雖然運(yùn)用其他方法已經(jīng)解決了溫度測(cè)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(huì)實(shí)現(xiàn)。(中國(guó)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(jí)工程師,就職于國(guó)家特種礦物材料工程技術(shù)研究中心,長(zhǎng)期從事超硬材料相關(guān)技術(shù)開(kāi)發(fā)工作。

廣西青年基金面上項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào):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(kāi)發(fā)研究專

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

羅文來(lái)(1968-),男,教授級(jí)高級(jí)工程師,就職于中國(guó)有色桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院,長(zhǎng)期從事超硬材料產(chǎn)品開(kāi)發(fā)工作。