[发明专利]一种单晶金刚石圆锥压头轴线方向及研磨角度选择方法

说明书

一种单晶金刚石圆锥压头轴线方向及研磨角度选择方法，属于高精度纳米压痕压头制造技术领域。根据典型晶面微观抗剪切强度确定其易磨度因子，通过加权叠加计算得到一般晶面晶向的易磨度因子；基于坐标变换方法计算某一般晶面晶向的易磨度因子；对锥面一圈沿不同研磨方向的易磨度因子进行计算；对特定半锥角、以不同晶向为轴线的单晶金刚石圆锥压头，计算沿不同研磨方向的锥面的易磨度因子标准差以选择轴线方向；对特定轴线为方向、特定半锥角单晶金刚石圆锥压头，计算锥面沿不同研磨方向的易磨度因子标准差以选择压头的研磨角度。通过优选能够明显减弱单晶金刚石晶体各向异性特征对压头研磨精度的不利影响。

技术领域

本发明属于高精度纳米压痕压头制造技术领域，尤其是一种单晶金刚石圆锥压头轴线方向及研磨角度选择方法。

背景技术

随着人类社会科技水平的不断进步，微机电系统制造技术、生物工程和薄膜技术等发展迅速，对材料力学特性检测技术提出了新的要求。材料微纳尺度力学性能检测技术在这些新技术领域中扮演着至关重要的角色，纳米压痕技术是一种对材料微观力学性能进行检测的重要技术，其主要检测原理是将球形或锥形压头压入被测材料表面，在加载及卸载的过程中连续记录压入载荷和压入深度，通过分析载荷—位移曲线来表征材料的微观力学性能。纳米压痕技术可以对材料在微纳尺度下的显微硬度、弹性模量、断裂韧性、粘弹性与蠕变行为、残余应力和材料疲劳特性等多种力学性能进行综合检测。纳米压痕技术涉及的压入载荷和压入深度都非常小，通常压入载荷在毫牛量级，载荷测量分辨率在纳牛量级，压入深度在几百纳米量级，位移测量分辨率小于1nm。为了在如此小的检测尺度下实现材料表面力学性能的精确检测，必须使用高精度的压头。

单晶金刚石圆锥压头在纳米压痕检测中具有其独有的特点，圆锥压头可以避免像玻氏压头和维氏压头这类棱锥压头在压入试件表面时锋利棱边压入表面引起的复杂情况，比如锋利棱边压入脆性材料引起的表面裂纹现象以及锋利棱边压入材料时沿压痕周边的大应力梯度现象，利用圆锥压头进行纳米压痕实验，可以降低纳米压痕检测结果的分析难度。另外，与棱锥压头相比，圆锥压头具有完全对称的几何特点，面积函数简单，使用更为方便，在大多数尖压头压痕过程的有限元分析中，都采用圆锥形的几何模型。

天然金刚石是自然界中最坚硬的物质，其具有极其强烈的各向异性，是一种难加工材料。对金刚石棱锥压头的加工，只需针对特定的几个平面寻找其易磨方向，但是对金刚石圆锥压头的加工，由于金刚石单晶强烈的各向异性，在360°的回转空间上沿不同晶面不同晶向，其机械研磨效率差异很大，因此需要针对构成金刚石圆锥面的连续曲面寻找最优研磨角度。目前，金刚石圆锥压头加工的主要难点是圆锥面各向异性的表面粗糙度，以及由于研磨效率各向异性导致的压头面型误差。

金刚石圆锥压头的加工难度很大，但目前对高精度金刚石圆锥压头的轴向方向以及机械研磨角度选择方法鲜有报道，这无疑限制了圆锥压头在纳米压痕检测中的应用。此外，国内金刚石压头加工制造水平较低，高精度金刚石圆锥压头严重依赖进口。因此，研究金刚石圆锥压头的设计方法具有重要的意义，不仅可以提高我国金刚石圆锥压头加工技术水平，更可以对促进纳米压痕技术的发展起到积极作用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种单晶金刚石圆锥压头轴线方向及研磨角度选择方法，通过对压头的轴线方向和研磨角度进行优选，能够在研磨加工时明显减弱单晶金刚石晶体各向异性特征对压头研磨精度的不利影响。

为实现上述目的，本发明采取下述技术方案：一种单晶金刚石圆锥压头轴线方向及研磨角度选择方法，包括如下步骤：

步骤一：根据单晶金刚石晶体典型晶面微观抗剪切强度确定其易磨度因子，通过加权叠加计算得到单晶金刚石晶体一般晶面晶向的易磨度因子；

步骤二：基于坐标变换方法计算单晶金刚石晶体某一般晶面晶向的易磨度因子；

步骤三：对单晶金刚石圆锥压头的锥面一圈沿不同研磨方向的易磨度因子进行计算；