[发明专利]一种纳米金刚石刀具及其制备方法和应用

权利要求书

1.一种纳米金刚石刀具的制备方法，所述制备方法采用金刚石作为原料，包括制备金刚石刀具基材的切割定型工序、对所述金刚石刀具基材进行抛光的抛光工序和在所述金刚石刀具基材上形成刃口的刃口加工工序，其特征在于，所述方法还包括在所述切割定型工序之前进行的预处理工序和在所述刃口加工工序之后进行的表面修饰工序，其中：

所述预处理工序用以尽量消除所述金刚石中的缺陷，所述缺陷包括应力缺陷和结构缺陷；

所述表面修饰工序包括在刃口表面进行的钝化工艺以及设置在所述钝化工艺之后的在所述的刃口表面形成保护层的工艺；

所述钝化工艺用以消除在所述刃口加工工序中产生的应力缺陷以及结构缺陷，所述钝化工艺先采用等离子体清洗，而后再采用等离子体气相化学沉积法进行金刚石的沉积；

所述保护层为防氧化增韧保护层或防冲击保护层，其中：所述防氧化增韧保护层的膜层种类为碳化硅、氮化硅或氟碳氮化硅；所述防冲击保护层由具有憎水和憎油性能的氟硅烷涂覆在所述刃口表面上制成；

所述抛光工序中：首先对所述金刚石刀具基材进行检测以识别金刚石的晶面，然后选取金刚石的{100}晶面或{110}晶面进行后续的抛光，并将抛光后的晶面作为前刀面，根据所述前刀面确定形成所述刃口的后刀面；

所述刃口加工工序采用保护性刃磨方法或激光定向解理方法，所述保护性刃磨方法包括：先在所述前刀面上形成临时保护涂层，之后对所述后刀面进行刃磨，再去除所述临时保护涂层，以形成所述刃口；所述临时保护涂层通过采用真空气相沉积的方法或通过真空键合工艺制成，所述真空气相沉积的方法制成的所述临时保护涂层的材质为铝、钛、钨、钽、钼、硅、氮化硅、碳化硅、碳化钛、碳化钨、氮化硼或硼，所述真空键合工艺制成的所述临时保护涂层的材质为玻璃、硅片或金刚石；

所述激光定向解理方法包括：激光辐照采用低于激光切割的阈值能量密度，平行于所述前刀面持续辐照，在金刚石内部sp³金刚石结构碳中诱导出平行于所述前刀面的sp²石墨结构碳层，当石墨层原子的质量比例达到大于0小于等于5%时，进一步解离形成所述刃口。

2.根据权利要求1所述的纳米金刚石刀具的制备方法，其特征在于，所述切割定型工序为采用激光切割进行，切割定型后的所述金刚石刀具基材的面积为0.25-2500mm²，所述激光切割的功率为大于0小于等于5kW，波长为190-1200nm；

制备金刚石刀具基材的所述金刚石为选自天然金刚石、聚晶金刚石、多晶厚膜金刚石、化学气相沉积单晶金刚石、高温高压单晶金刚石、孪晶金刚石中的一种或多种的组合。

3.根据权利要求1所述的纳米金刚石刀具的制备方法，其特征在于，所述预处理工序包括：采用应力显微镜、X射线透射确定金刚石的应力缺陷以及结构缺陷的数量和大小，所述结构缺陷包括空洞缺陷和微裂纹缺陷，然后采用选自如下工艺中的一种或多种的组合进行处理：

热处理：将金刚石在惰性气体条件下，升温至400-700℃，保温5-120h，退火，消除金刚石应力；

冷处理：将金刚石放置液氮条件下，保温12-120h，消除金刚石应力；

热压处理：将金刚石放置在0-130MPa等静压容器内，加温0-200℃，保温、保压12-120h，消除金刚石微裂纹及应力。

4.根据权利要求1所述的纳米金刚石刀具的制备方法，其特征在于，所述防氧化增韧保护层采用等离子体气相化学沉积法制成，所述等离子体气相化学沉积法中：气压为0.1-10kPa，沉积时间为10s-1h；沉积气体为选自硅烷、四氟化硅、氧气、甲烷、丙酮、乙醇、氨气和氩气中的一种或多种的组合，沉积厚度为0.1nm-10nm。

5.根据权利要求4所述的纳米金刚石刀具的制备方法，其特征在于，所述沉积气体由四氟化硅和氢气组成，或，所述沉积气体由体积比为10：0.001-0.1：0.1-10：1-200：1-2000的硅烷、氧气、甲烷或丙酮或乙醇、氨气和氩气构成。