拋光是指利用機(jī)械、化學(xué)或電化學(xué)作用，降低工件的表面粗糙度，以獲得光亮光滑的表面。拋光技術(shù)在現(xiàn)代制造業(yè)中的重要性，從應(yīng)用領(lǐng)域便可窺一斑而知全豹，包括集成電路制造、醫(yī)療器械、汽車配件、數(shù)碼配件、精密模具、航空航天等。

拋光金屬的過程

拋光液的組分中最重要的莫過于磨料，其余的還包括表面活性劑和分散劑等。磨料的選擇很多樣，包括了二氧化硅、氧化鋁、氧化鈰、氧化鉻等等，但具體選擇需依據(jù)待磨物的硬度與研磨目標(biāo)（鏡面拋光/減薄/絲面拋光等），以及研磨工藝種類（機(jī)械/ CMP等）來挑選。此外，陶瓷材質(zhì)的磨料除了是成分選擇外，還要注意其結(jié)晶相。

一、納米金剛石拋光液的優(yōu)勢(shì)

金剛石是自然界中最堅(jiān)硬的物質(zhì)，莫氏硬度高達(dá)9。1954年時(shí)美國(guó)GE公司使用靜態(tài)高溫高壓合成技術(shù)，得到了第一顆人造金剛石。隨著人工合成金剛石技術(shù)的發(fā)展，目前已有多種金剛石產(chǎn)品問世并應(yīng)用在高科技領(lǐng)域上，包括納米級(jí)金剛石粉、金剛石粉燒結(jié)復(fù)合材料、多晶金剛石薄膜和單晶金剛石元件等。

當(dāng)金剛石達(dá)到納米級(jí)時(shí)，就能兼具有金剛石和納米顆粒的雙重特性，具有超硬特性、多孔表面、高比表面積以及球形形狀等特點(diǎn)，因此可作為拋光材料使用。在拋光過程中，由于納米金剛石表面通常含有石墨，因此可以提供一定的潤(rùn)滑效果，再讓其金剛石核心通過拋光來減小表面粗糙度進(jìn)一步減小摩擦。據(jù)研究，用分布很窄的納米粒子作磨料，可加工表面粗糙度Ra為0.1~1nm的超光表面，這比傳統(tǒng)的磨光工藝提高1個(gè)數(shù)量級(jí)。

二、改善團(tuán)聚的手段

但是，由于納米金剛石比表面積大、比表面能高、處于熱力學(xué)不穩(wěn)定狀態(tài)，所以在介質(zhì)中分散穩(wěn)定性差、容易發(fā)生團(tuán)聚，使其在應(yīng)用過程中受到很大程度的制約。為上述難題，目前一般會(huì)通過以下三種機(jī)理實(shí)現(xiàn)納米金剛石拋光液中的磨料的有效分散：靜電位阻、空間位阻、空間-靜電位阻，原理如下圖所示。

1.靜電位阻

靜電位阻主要指雙電層理論。粒子表面由于帶正電荷或負(fù)電荷，其外部由于電性吸引，會(huì)形成一個(gè)負(fù)離子層或正離子層，合成雙電層。如Gibson N等通過等離子體處理和添加氧化鉻的方法，對(duì)納米金剛石表面進(jìn)行改性，使納米金剛石顆粒的表面電位提高，獲得了在較長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定存在的納米金剛石懸浮液體系。

顆粒形成靜電位阻示意圖

2.空間位阻

空間位阻是指納米金剛石顆粒之間由于表面活性劑的存在而形成空間阻隔的作用。以水系體系為例，表面活性劑在納米金剛石表面會(huì)形成指向水相的親水基團(tuán)和指向納米金剛石的親油基團(tuán)的定向排列，使納米金剛石表面幾乎不與水相接觸。在空間上，對(duì)納米金剛石之間實(shí)現(xiàn)了一種空間阻隔作用，減少了分子間的相對(duì)作用力。

水介質(zhì)中表面活性劑在納米金剛石表面吸附示意圖

3.空間-靜電位阻

空間-靜電位阻指空間位阻與靜電位阻的協(xié)同作用，即在空間上對(duì)納米粒子形成一定的空間阻隔作用，同時(shí)粒子之間還存在一定的電斥力。兩者的協(xié)同作用將更有利于納米金剛石粒子在液相中的穩(wěn)定分散。

三、應(yīng)用部分

目前，納米金剛石拋光液以其優(yōu)異的性能被廣泛應(yīng)用在計(jì)算機(jī)硬盤、計(jì)算機(jī)磁頭、藍(lán)寶石襯底拋光等領(lǐng)域。

1.計(jì)算機(jī)硬盤基片拋光

隨著垂直磁記錄技術(shù)在硬盤中的應(yīng)用，磁盤存儲(chǔ)密度得以大幅度增加，硬盤的存儲(chǔ)容量飛速擴(kuò)大。與此同時(shí)，要求硬盤磁頭的飛行高度進(jìn)一步降低，這就需要硬盤盤基片表面更加光滑、表面粗糙度更小，并且盤基片表面沒有任何缺陷。通過對(duì)硬盤盤基片的“高、精”拋光，實(shí)現(xiàn)其表面質(zhì)量的提高。

如朱永偉等公開了一種水基納米金剛石拋光液及其制造方法，通過向去離子水中加入納米金剛石、改性劑、分散劑／超分散劑、pH調(diào)節(jié)劑、潤(rùn)濕劑、具有化學(xué)作用的添加劑，通過超聲或者攪拌將納米金剛石分散成20~100 nm的小團(tuán)聚體，制成拋光液，用于各類光電子晶體、計(jì)算機(jī)硬盤基片的超精密拋光。

2.計(jì)算機(jī)磁頭拋光

隨著硬盤存儲(chǔ)密度增大，記錄的磁信號(hào)線寬已達(dá)納米尺度，磁頭實(shí)際飛行高度小于4nm，磁頭表面粗糙度須小于0.2nm，元件表面加工精度須達(dá)到亞納米級(jí)。為提高加工效率，減小磁頭粗糙度、消除劃痕和雜質(zhì)嵌入對(duì)磁盤造成的致命危害，就需要用到可對(duì)高存儲(chǔ)密度硬盤的磁頭進(jìn)行超精密加工的高品質(zhì)拋光液。

如江波等公開了一種用于存儲(chǔ)器硬盤磁頭背面研磨的研磨液的制備方法，組分包括十到十三個(gè)碳的烷烴礦物油、十五個(gè)碳的油性劑、金剛石單晶微粉、抗氧化防腐劑、非離子表面活性劑、消泡劑和抗靜電劑。將該拋光劑用于磁頭背面拋光，研磨后無表面劃痕、表面殘余應(yīng)力低、表面粗糙度為0.3~0.4nm。

3.半導(dǎo)體基片拋光

隨著數(shù)字化、智能化等新技術(shù)的發(fā)展，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)作為現(xiàn)代科技的核心領(lǐng)域之一，正在迎來前所未有的機(jī)遇。半導(dǎo)體行業(yè)的主要職能之一是芯片設(shè)計(jì)，芯片是半導(dǎo)體技術(shù)的核心產(chǎn)品，包括集成電路和微處理器等。而制成半導(dǎo)體芯片的基礎(chǔ)材料就是超光滑?大尺寸平面化的基片材料?因此，在半導(dǎo)體芯片制造過程中，拋光研磨是極其重要的關(guān)鍵步驟，直接影響著晶圓表面的平整度。目前，金剛石研磨液已在半導(dǎo)體晶圓拋光研磨工藝中取得廣泛應(yīng)用。

如T.Kumbe對(duì)超分散納米金剛石拋光硅片進(jìn)行了研究，并對(duì)干法拋光和用拋光液濕法拋光進(jìn)行了對(duì)比；于法拋光使硅片表面粗糙度Ra從107 nm降到4 nm。使用水基納米金剛石拋光液進(jìn)行濕法拋光，拋光效率更高，并且得到硅片的表面粗糙度更小，達(dá)到了2 nm。

4.光纖連接器拋光

光纖連接器在光通信系統(tǒng)、光信息處理系統(tǒng)、光學(xué)儀器儀表中被廣泛使用。對(duì)于廣泛使用的Pc型連接器，要求加工后端面的幾何精度為：圓弧半徑≈20mm，圓弧頂點(diǎn)偏心≤50微米，光纖與插芯端面粗糙度Ra≤50 nm，光纖端面相對(duì)于插芯端面的凹陷量≤50nm。因此必須對(duì)其端面以及插針進(jìn)行超精拋光加工。

5.其它材料的拋光

除以上領(lǐng)域外，金剛石是金相試樣制備的最佳磨料之一，它適用于金相試樣的磨光與拋光。納米金剛石拋光液還用于高級(jí)光學(xué)玻璃、晶體、寶石表面的超高精度的拋光加工。

三、總結(jié)

由于納米金剛石顆粒的超細(xì)、超硬特性，使得在拋光中存在的許多難題都迎刃而解，讓拋光速率大大增加，效率提高幾十倍，從而被視為將來替代氧化鋁、硅溶膠等普通磨料拋光液的新材料。但由于難以避免的納米顆粒團(tuán)聚問題，目前大多只是實(shí)現(xiàn)了較大粒徑的分散控制,獲取的拋光液產(chǎn)品整體粒度尺寸較大。小粒徑產(chǎn)品,比如單顆粒的納米金剛石分散產(chǎn)品較少。開發(fā)更細(xì)粒徑、質(zhì)量穩(wěn)定的納米金剛石拋光液是科研工作者今后研究的方向。

資料來源：

胡志孟，雒建斌，李同生. 納米金剛石計(jì)算機(jī)磁頭拋光液的研制及應(yīng)用[J]. 材料科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004，22(3):323-327. DOI:10.3969/j.issn.1673-2812.2004.03.003.

王沛，朱峰，王志強(qiáng). 納米金剛石拋光液中磨料的可控性團(tuán)聚研究現(xiàn)狀[J]. 金剛石與磨料磨具工程，2014(6):64-68，75. DOI:10.13394/j.cnki.jgszz.2014.6.0014.

靳洪允，侯書恩，楊曉光. 納米金剛石拋光液制備及應(yīng)用[J]. 金剛石與磨料磨具工程，2007(3):67-71. DOI:10.3969/j.issn.1006-852X.2007.03.018.

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