專利名稱：金剛石超細(xì)微粉及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及磨料領(lǐng)域，具體涉及一種金剛石超細(xì)微粉及其制備方法。
背景技術(shù)：
隨著電子信息產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，對于超平整表面加工的要求也越來越高。微米級 乃至亞微米的金剛石磨料在這一領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，成為制造計算機硬盤、硅片、集成 電路表面平坦化不可或缺的材料。目前被應(yīng)用于這一領(lǐng)域的金剛石磨料主要是以靜壓法合 成的金剛石為原料經(jīng)過破碎、整形、凈化、分級得到的微米級、亞微米級的磨料產(chǎn)品。這種產(chǎn) 品在加工過程中形成了帶有尖銳棱角的不規(guī)則多面體，實際應(yīng)用時具有很高的材料磨削去 除力，但是在獲得能夠滿足需要的表面平整度時，尖銳棱角在被加工材料表面形成的較深 劃痕需要采用更細(xì)的磨料磨削，需要用更多的材料進行去除。但是，隨著表面平整度的要求 進入納米級甚至亞納米級水平，采用這種磨料產(chǎn)品已經(jīng)無法滿足新的技術(shù)要求。為此，陸續(xù) 開發(fā)了采用爆炸沖擊法得到的由石墨轉(zhuǎn)化的多晶金剛石產(chǎn)品，由負(fù)氧平衡炸藥通過爆轟合 成反應(yīng)制備的爆轟法納米金剛石產(chǎn)品，還有對從靜壓合成獲得的金剛石進行高溫?zé)崽幚碇?造的部分石墨化的金剛石磨料產(chǎn)品應(yīng)用于這一加工領(lǐng)域。多晶金剛石產(chǎn)品和爆轟法納米 金剛石產(chǎn)品是由3 15納米的超細(xì)金剛石粒子構(gòu)成的聚集體，在磨削加工時外界壓力作用 下發(fā)生粒子的剝離不會出現(xiàn)尖銳的棱角，從而有效地避免了表面劃痕，提高了加工的表面 平整度，但是應(yīng)用此類產(chǎn)品的材料去除率偏低，加工效率不高，而且存在產(chǎn)品原料價格較高 (采用爆炸沖擊法得到的由石墨轉(zhuǎn)化的多晶金剛石產(chǎn)品或者負(fù)氧平衡炸藥通過爆轟合成反 應(yīng)制備的爆轟法納米金剛石產(chǎn)品，由于產(chǎn)率低、炸藥消耗量大，導(dǎo)致成本一直居高不下，近 年來市場價格一直是靜壓金剛石微粉產(chǎn)品的數(shù)十倍)，在產(chǎn)品的提純、分散等方面還有很多 技術(shù)問題有待解決。中國專利文獻CN1186401C描述了對納米金剛石粒子表面處理的方法，使不同的 有機分子結(jié)合在納米金剛石粒子的表面，從而改變納米金剛石粒子的親水性和親油性，提 高其在水相和油相中的懸浮性能；許向陽等人描述了水介質(zhì)中和白油介質(zhì)中納米金剛石的 改性處理方法(中國粉體技術(shù)2003年第9卷第4期30-34頁，礦冶工程2004年第24卷第 4期61-64頁)，但是這兩篇文獻所記載的技術(shù)內(nèi)容均未能夠解決金剛石粒子的磨削力與表 面平整度要求的問題。綜上所述，探索采用新的方法制造性能穩(wěn)定、價格低廉、兼具良好磨削力和加工表 面平整度的新型金剛石磨料產(chǎn)品，對于電子信息產(chǎn)業(yè)中的計算機硬盤制造、硅片、集成電路 超平整表面加工等領(lǐng)域有著非常重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種性能穩(wěn)定、價格低廉、兼具良好磨削力和加 工表面平整度的金剛石超細(xì)微粉，并給出了其制備方法。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是
—種金剛石超細(xì)微粉，它是以靜壓合成單晶金剛石微粉為原料經(jīng)轟爆沖擊破碎、 分離提純而成的具有不規(guī)則的晶形外觀形貌及顯微可見的晶體內(nèi)部裂紋和結(jié)構(gòu)缺陷的粒 度峰值為10 IOOOnm的超細(xì)粉體，且在該超細(xì)粉體顆粒表面及晶體裂紋界面中伴生著占 粉體總質(zhì)量的1 30%的非金剛石碳。所述非金剛石碳為石墨相和\或非晶態(tài)碳。所述金剛石超細(xì)微粉的制備方法，包括以下步驟(1)炸藥裝配以重量百分比計，10 60%、氧平衡/負(fù)氧平衡炸藥20 70%、添 加物0 20%混合均勻后，以注裝或壓裝的方式制成炸藥柱，再將炸藥柱吊裝于轟爆裝置 的正中央，并使炸藥柱處于冷卻介質(zhì)之中；所述添加物為粘結(jié)劑、增塑劑、鈍感劑中的任意 一種或多種；常采用粘結(jié)劑的有橡膠、聚異丁烯、樹脂、聚四氟乙烯、聚苯乙烯-聚異丁烯-聚苯 乙烯嵌段共聚物、疊氮化聚合物、硝酸酯聚合物、聚縮水甘油硝酸酯等；常用的增塑劑有己 二酸二辛酯、乙酰檸檬酸三丁酯等；常用于降低炸藥機械感度的鈍感劑有蠟類、高聚物及硝 基化合物三類。(2)爆炸合成用起爆器引爆所述的炸藥柱，收集爆炸產(chǎn)生的爆轟物，篩去、分離粗 顆粒殘渣即得金剛石坯料；(3)除非碳雜質(zhì)將上述金剛石坯料置入量濃度為5 10%的稀硝酸中加熱煮沸 1 2小時溶解去除金屬雜質(zhì)，所處理金剛石坯料質(zhì)量數(shù)g與所用稀硝酸的毫升體積數(shù)ml 之比為1 5 10，然后再用水洗滌至近中性，脫水干燥得金剛石微粉；所述的金剛石超細(xì)微粉的制備方法中還包括提純步驟(4)將上述金剛石微粉 放入強氧化性酸中加熱至酸沸騰，并保持0. 5 6小時，再用符合實驗室用水國家標(biāo)準(zhǔn) GB6682-2000中規(guī)定的2級或2級以上的高純水漂洗去除殘留的酸及各種雜質(zhì)，干燥后即為 較純金剛石微粉，酸處理過程中所用酸均為分析純或分析純級別以上試劑。詳細(xì)的提純方 法及步驟還可參見ZL 200610128334. 2中的有關(guān)記載?？梢愿鶕?jù)本發(fā)明產(chǎn)品的用途或/和 純度要求來決定是否進行提純，以及是否進行下一步的精提純、精確分級步驟。所述的金剛石超細(xì)微粉的制備方法中還包括精提純步驟(5)將步驟(4)中所得 的納米金剛石粉放入盛有氫氟酸的聚四氟乙烯容器中，納米金剛粉質(zhì)量數(shù)g與氫氟酸毫升 體積數(shù)ml之比為1 3 10，將四氟乙烯容器置于沸水浴中加熱1.5 2. 5小時后，冷卻、 高純水漂洗至中性，干燥后即得高純金剛石微粉，所用氫氟酸為分析純或優(yōu)于分析純。在所述步驟(4)或步驟(5)之后還包括精密分級步驟以錯流分級法、逆流分級法 或懸浮離心分離法進行精確分級，獲得粒度峰值從10 IOOOnm的各種規(guī)格的金剛石微粉。目前，國內(nèi)外許多學(xué)者對分級技術(shù)進行了大量的研究，研制出了一些典型的分級 設(shè)備，如利用重力分級的水平流型重力分級器、利用慣性力分級的射流分級器以及利用離 心力分級的葉輪分級機等，在這些分級設(shè)備中，顆粒受到分級力場作用和介質(zhì)流體作用特 點各不相同，根據(jù)物料受到的分級力場作用方向和介質(zhì)流體流動方向，可分為逆流分級和 錯流分級兩種方式。在錯流分級設(shè)備中采用離心力場代替重力場來進行分級，可同時獲取 多個窄級別的分級產(chǎn)品。詳細(xì)的可參見“錯流離心分級技術(shù)的研究”，《中國粉體技術(shù)》2000 年第6期第36 39頁。所述氧平衡或者負(fù)氧平衡炸藥為TNT、RDX、RHT (黑梯炸藥)中的至少一種。
所述炸藥柱的直徑為35 50mm，長度為180 400mm。所述強氧化性酸為硝酸-氫氟酸-高氯酸混合酸，或為高氯酸_氫氟酸混合酸。所述冷卻介質(zhì)為盛放于水套中的冷卻水，且其用量為所述炸藥柱重量的10 30倍。所述轟爆裝置可為帶有充氣、排氣和出料系統(tǒng)的爆炸合成罐，其為一封閉的厚壁 金屬容器，容積為4. 4m3。在所述爆炸合成罐中每次爆炸的炸藥用量控制在1 3kg。本發(fā)明具有積極有益的效果1.提供一種具有大量顯微可見的內(nèi)部裂紋和結(jié)構(gòu)缺陷，并且在粉體表面及裂紋界 面中伴生著非金剛石碳的金剛石微粉，該產(chǎn)品性能穩(wěn)定、價格低廉、具有良好的磨削力和加 工表面平整度；使用該產(chǎn)品作為磨料制造應(yīng)用于精密表面平坦化加工處理過程的研磨液， 可以擁有良好的磨削力、獲得較好的表面平整度，可以獲得與目前普遍采用的多晶金剛石 微粉、納米金剛石微粉等較為昂貴的產(chǎn)品相當(dāng)?shù)男Ч?.在采用該產(chǎn)品制作的研磨液進行計算機硬盤驅(qū)動器盤片加工時，例如鋁基金屬 盤片加工時的獲得了4. OA的表面平整度，這與目前多晶金剛石所達到的3. 8 A的加工水 平非常接近，通過優(yōu)化研磨工藝完全可以達到同樣的技術(shù)效果。3.提出一種超細(xì)金剛石微粉的新制造方法，采用爆炸沖擊的方法對靜壓合成金剛 石微粉進行作用時，瞬間的高溫和沖擊波使得部分金剛石碳轉(zhuǎn)化為非金剛石碳。4.本發(fā)明方法僅使用少量炸藥即可處理大量金剛石微粉在產(chǎn)品性能大幅度提高 的同時，附帶的成本增加較少，具有明顯的成本優(yōu)勢。說明書附圖


圖1為一種密閉爆炸罐的結(jié)構(gòu)示意圖2為等靜壓金剛石微粉的SEM照片；
圖3為等靜壓金剛石微粉的XRD圖譜；
圖4為一種本發(fā)明產(chǎn)品的XRD圖譜；
圖5為一種本發(fā)明產(chǎn)品的激光拉曼圖譜；
圖6為一種本發(fā)明產(chǎn)品的TEM照片；
圖7為一種本發(fā)明產(chǎn)品的SEM照片；
圖8為另一種本發(fā)明產(chǎn)品的XRD圖譜；
圖9為另一種本發(fā)明產(chǎn)品的激光拉曼圖譜；
圖10為另一種本發(fā)明產(chǎn)品的TEM照片；
圖11為另一種本發(fā)明產(chǎn)品的SEM照片；
圖12本發(fā)明產(chǎn)品為精確分級后產(chǎn)品的粒度測試圖13為利用本發(fā)明產(chǎn)品研磨拋光后的計算機硬盤盤片的AFM圖
圖14為利用本發(fā)明產(chǎn)品研磨拋光后的藍(lán)寶石晶片的AFM圖。
圖中1為爆炸反應(yīng)罐，2為雷管，3為藥柱，4為水套。
具體實施例方式
實施例1 一種金剛石超細(xì)微粉的制備方法，包括以下步驟
(1)炸藥裝配取3微米規(guī)格等靜壓合成的單晶金剛石微粉(其晶形晶貌及物相參 見圖2、圖3)，按照金剛石微粉+TNT炸藥+添加劑(石蠟)=400g+600g+30g混合在一起， 攪拌均勻后放入模具，制成長徑比=3的圓柱狀藥柱；將制成的藥柱放爆炸罐中(參見圖 1)，藥柱外加水套進行保護；(2)爆炸合成連接雷管組裝爆炸裝置進行爆炸作用，收集爆炸產(chǎn)物，經(jīng)過篩分去除 機械雜質(zhì)，得金剛石坯料；(3)除非碳雜質(zhì)稀硝酸溶解去除金屬雜質(zhì)，再以純水洗滌至近中性、烘干，得到具 有大量顯微可見的內(nèi)部裂紋和結(jié)構(gòu)缺陷，且在粉體顆粒表面及晶體裂紋界面中伴生著非金 剛石碳的金剛石超細(xì)粉體，其結(jié)構(gòu)特征參見圖4、圖5、圖6、圖7所示，由XRD圖譜和激光拉 曼圖譜可以看出產(chǎn)物物相主要有金剛石和石墨及少量的無定形碳；由TEM和SEM照片可以 看出金剛石顆粒在爆炸沖擊的作用下，發(fā)生了明顯的破碎，在金剛石晶體中產(chǎn)生了大量的 裂紋，同時形成了石墨。實施例2 —種金剛石超細(xì)微粉的制備方法，包括以下步驟(1)炸藥裝配取300g的1微米規(guī)格等靜壓合成的單晶金剛石微粉磨料，按照金剛 石微粉+TNT炸藥+添加劑(石蠟)=300g+700g+20g混合均勻后放入模具，制成長徑比= 3的圓柱形藥柱。將制成的藥柱放入圖1所示的爆炸罐中，藥柱外加水套進行保護；(2)爆炸合成連接雷管組裝爆炸裝置進行爆炸，收集爆炸產(chǎn)物，經(jīng)過篩分去除機械 雜質(zhì)，得金剛石坯料；(3)除非碳雜質(zhì)稀硝酸溶解去除金屬雜質(zhì)、純水洗滌至近中性、烘干，得到具有大 量顯微可見的內(nèi)部裂紋和結(jié)構(gòu)缺陷，并且在粉體表面及裂紋界面中伴生著非金剛石碳的金 剛石微粉，該產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特征圖參見8、圖9、圖10、圖11所示，由XRD圖譜和激光拉曼圖譜 可以看出產(chǎn)物物相主要有金剛石和石墨及少量的無定形碳；由TEM和SEM照片可以看出金 剛石顆粒在爆炸沖擊的作用下，發(fā)生了明顯的破碎，在金剛石晶體中產(chǎn)生了大量的裂紋，同 時形成了石墨。實施例3 —種金剛石超細(xì)微粉的制備方法，包括以下步驟步驟(1)、⑵、(3)同實施例1 ；(4)提純?nèi)∩喜剿卯a(chǎn)品IOOg置于IOOOml耐熱燒瓶中，加入IOOml硝酸、400ml 高氯酸，將燒瓶置于控溫電熱板上加熱至溶液沸騰，并保持2小時，然后取下冷卻，以高 純水洗滌PH值接近中性，干燥處理后得到灰黑色微粉，采用電感耦合等離子發(fā)射光譜 (ICP-AES)測定金屬雜質(zhì)，各成分含量見表1。實施例4 一種金剛石超細(xì)微粉的制備方法，包括以下步驟步驟(1)、⑵、(3)、⑷同實施例3 ；(5)精密分級取上步獲得的純凈金剛石微粉分散于水中，配制成濃度5%的懸 浮液，充分?jǐn)嚢杈鶆?，超聲分?小時，置于高速離心機的離心杯中，設(shè)定轉(zhuǎn)速，離心分離 30min，收集上層液體，進行濃縮，然后于電熱真空干燥箱中干燥，獲得了精確分級的IOOnm 規(guī)格的干粉產(chǎn)品。采用上述分級獲得的金剛石粉體lg，加IOOml去離子水分散均勻，采用激 光粒度儀測試其粒度，其粒度值為98nm，如圖12所示。實施例5取實施例4得到的產(chǎn)品按1 %的濃度分散于白油中，可以制備得到油性研 磨液，用于拋光研磨加工。應(yīng)用該產(chǎn)品對計算機硬盤盤片進行表面平坦化處理，獲得了表面粗糙度Rq(Root Mean Square) = 0. 406nm的結(jié)果，圖13是計算機硬盤盤片研磨拋光后的 AFM 圖。實施例6將實施例4得到的產(chǎn)品按的濃度分散于水性介質(zhì)中，可以制備得 到水性研磨液，用于拋光研磨加工藍(lán)寶石晶片。結(jié)果如圖14所示，獲得了 Ra (Roughness Average) = 0. 306nm, Rq (Root Mean Square) = 0. 364nm 的表面平整度。表1金剛石微粉中金屬雜質(zhì)含量檢測值(mg/kg)
權(quán)利要求
一種金剛石超細(xì)微粉，其特征在于，它是以靜壓合成單晶金剛石微粉為原料經(jīng)轟爆沖擊破碎、分離純化而成的具有不規(guī)則的晶形外觀形貌及顯微可見的晶體內(nèi)部裂紋和結(jié)構(gòu)缺陷的粒度峰值為10～1000nm的超細(xì)粉體，且在該超細(xì)粉體顆粒表面及晶體裂紋界面中伴生著占粉體總質(zhì)量的1～30％的非金剛石碳。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述金剛石超細(xì)微粉，其特征在于，所述非金剛石碳為石墨相和\或 非晶態(tài)碳。
3.權(quán)利要求1所述金剛石超細(xì)微粉的制備方法，包括以下步驟(1)炸藥裝配以重量百分比計，將靜壓合成的單晶金剛石微粉10 60%、氧平衡/負(fù) 氧平衡炸藥20 70%、添加物0 20%混合均勻后，以注裝或壓裝的方式制成炸藥柱，再 將炸藥柱吊裝于轟爆裝置的正中央，并使炸藥柱處于冷卻介質(zhì)之中；所述添加物為粘結(jié)劑、 增塑劑、鈍感劑中的任意一種或多種；(2)爆炸合成用起爆器引爆所述的炸藥柱，收集爆炸產(chǎn)生的爆轟物，篩去、分離粗顆粒 殘渣即得金剛石坯料；(3)除非碳雜質(zhì)將上述金剛石坯料置入質(zhì)量濃度為5 10%的稀硝酸中加熱煮沸1 2小時溶解去除金屬雜質(zhì)，所處理金剛石坯料質(zhì)量數(shù)g與所用稀硝酸的毫升體積數(shù)ml之比 為1 5 10，然后再用水洗滌至近中性，脫水干燥得金剛石微粉。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的金剛石超細(xì)微粉的制備方法，其特征在于，在所述步驟(3)之 后還包括提純步驟(4)將上述金剛石微粉放入強氧化性酸中加熱至酸沸騰，并保持0.5 6小時，再用符合實驗室用水國家標(biāo)準(zhǔn)GB6682-2000中規(guī)定的2級或2級以上的高純水漂洗 去除殘留的酸及各種雜質(zhì)，干燥后得灰黑色微粉，酸處理過程中所用酸均為分析純或分析 純級別以上。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的金剛石超細(xì)微粉的制備方法，其特征在于，在所述步驟(4)之 后還包括精提純步驟(5)將步驟(4)中所得的納米金剛石粉放入盛有氫氟酸的聚四氟乙 烯容器中，納米金剛粉質(zhì)量數(shù)g與氫氟酸毫升體積數(shù)ml之比為1 3 10，將四氟乙烯容 器置于沸水浴中加熱1. 5 2. 5小時后，冷卻、高純水漂洗至中性，干燥后即得高純金剛石 微粉，所用氫氟酸為分析純或優(yōu)于分析純。
6.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的金剛石超細(xì)微粉的制備方法，其特征在于，在所述步驟 (4)或步驟(5)之后還包括精密分級步驟以錯流分級法、逆流分級法或懸浮離心分離法進 行精確分級，獲得粒度峰值從10 IOOOnm的各種規(guī)格的金剛石微粉。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的金剛石超細(xì)微粉的制備方法，其特征在于，所述氧平衡或者 負(fù)氧平衡炸藥為TNT、RDX、黑梯炸藥中的至少一種。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的金剛石超細(xì)微粉的制備方法，其特征在于，所述炸藥柱的直 徑為35 50mm，長度為180 400mm。
9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的金剛石超細(xì)微粉的制備方法，其特征在于，所述強氧化性酸 為硝酸_氫氟酸_高氯酸混合酸，或為高氯酸_氫氟酸混合酸。
10.根據(jù)權(quán)利要求3所述的金剛石超細(xì)微粉的制備方法，其特征在于，所述冷卻介質(zhì)為 盛放于水套中的冷卻水，且其用量為所述炸藥柱重量的10 30倍。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種金剛石超細(xì)微粉及其制備方法。其是以靜壓合成單晶金剛石微粉為原料經(jīng)轟爆沖擊破碎、分離純化而成的具有不規(guī)則的晶形外觀形貌及顯微可見的晶體內(nèi)部裂紋和結(jié)構(gòu)缺陷的粒度峰值為10～1000nm的超細(xì)粉體，且在該超細(xì)粉體顆粒表面及晶體裂紋界面中伴生著占粉體總質(zhì)量的1～30％的非金剛石碳。本發(fā)明提供的金剛石微粉性能穩(wěn)定，具有良好的磨削力，應(yīng)用于精密表面平坦化加工處理可獲得較好的表面平整度，達到與目前普遍采用的多晶金剛石微粉、納米金剛石微粉等較為昂貴的產(chǎn)品相當(dāng)?shù)男Ч槐景l(fā)明方法僅使用少量炸藥即可處理大量金剛石微粉在產(chǎn)品性能大幅度提高的同時，附帶的成本增加較少，具有明顯的成本優(yōu)勢。
文檔編號C01B31/06GK101955177SQ20101021733
公開日2011年1月26日 申請日期2010年7月5日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月5日
發(fā)明者龐海巖, 汪靜, 賈曉林 申請人:河南省聯(lián)合磨料磨具有限公司