[发明专利]一种金刚石陀螺谐振子纳米制造方法

说明书

本发明提供一种金刚石陀螺谐振子纳米制造方法，属于难加工材料超精密加工领域。激光装置的激光脉冲频率在1‑500kHz可调，脉冲宽度在5‑300ps可调，激光斑点直径在5‑40μm可调，功率在0‑100W可调，可同时实现粗加工和精加工；纳米移动平台装置，能够实现X，Y，Z三坐标轴的移动和绕Z轴的转动，移动精度小于10nm，转动精度小于0.02°；原位在线检测装置利用激光干涉仪对加工质量进行原位检测；镀膜装置采用离子镀；聚焦离子束装置，加速电压在2‑30kV可调，电流在20pA‑50nA可调；本发明提供一种金刚石超硬材料复杂结构的纳米制造方法，实现金刚石陀螺谐振子纳米级精度制造。

技术领域

本发明涉及一种金刚石陀螺谐振子纳米制造方法，涉及超硬材料纳米制造领域，属于难加工材料超精密加工领域。

背景技术

随着我国国防、航空、航天等重大工程的发展，对高性能装备的要求也越来越高，要求高性能装备的高性能零件在高温、高压、高频、高功率等极端苛刻条件下能够长期稳定的工作。金刚石作为超宽禁带半导体，是世界上硬度最高的材料，具有优异的力学、光学、电学等性能，其广泛应用在高能物理探测器、辐射探测器、激光光学元件等领域。但是，金刚石由于硬度高、耐磨性好、化学性质稳定，传统的加工方法很难对其进行加工。加工质量直接决定了金刚石高性能器件的性能，从而影响整个高性能装备的服役性能。我国是人造金刚石的生产大国，年产量稳居世界第一，每年超过90％的人造金刚石产自中国。目前，我国金刚石材料制备技术已经处于国际先进水平，能够生产出超大单晶金刚石，其质量接近天然金刚石。然而，很多结构复杂的高性能金刚石零部件仍然严重依赖进口，或者委托国外相关单位进行加工，国内根本无法加工制造，而对于国防、航空、航天等领域的核心关键制造技术，国外一直对我国进行严格的技术封锁。因此，复杂结构的金刚石加工技术是我国国防、航空、航天等领域高性能装备及高性能零件的核心关键制造技术。

惯导陀螺为非GPS导航，不受天气、电磁干扰影响，广泛应用于航空、航天、军工、国防等领域，现有的硅陀螺由于不能在高载荷等苛刻条件下使用，所以其应用领域十分有限。而金刚石由于其高硬度、高断裂强度等优异的物理性质，有望取代硅成为复杂苛刻条件下使用的惯导陀螺材料。但是，惯导陀螺最主要的零部件为谐振子，其结构复杂，而金刚石由于硬度高、耐磨性好、化学性质稳定，传统的机械加工方法很难对其进行加工，目前发展的加工金刚石的方法有机械研磨法、化学机械抛光、热化学抛光，但这些方法往往用来加工平面，而激光加工法虽然能够加工沟槽，但是其加工质量较差，很难加工出小型化零部件的复杂结构。因此，设计一种新的加工方法及加工工艺，在金刚石上加工出复杂微型结构，实现纳米精度制造，对于我国机械加工技术的提高以及国防、航空、航空等领域的重大装备性能的提高具有十分重要的意义。

发明内容

本发明采用一种金刚石陀螺谐振子纳米制造方法，通过样品台旋转和移动，利用激光束对样品表面进行扫描，加工出沟槽阵列，利用磁控溅射法在沟槽内镀一层金属膜，利用聚焦离子束对沟槽进行精修，本发明提供一种金刚石超硬材料复杂结构的纳米制造方法，实现金刚石陀螺谐振子纳米级精度制造。

本发明的技术方案：

一种金刚石陀螺谐振子纳米制造方法，利用激光束对样品表面进行扫描，加工出沟槽阵列，利用磁控溅射法在沟槽内镀一层金属膜，利用聚焦离子束对沟槽进行精修，实现对金刚石陀螺谐振子纳米精制造。激光束为皮秒激光，脉冲宽度为100-300ps，在样品表面粘一层聚酰亚胺胶带作为保护层，通过样品台旋转和移动，使激光束在样品表面进行扫描，加工出沟槽阵列；利用磁控溅射法将样品镀一层金属膜；利用聚焦离子束对沟槽进行精修，离子束束流为5-30kV,20-160pA；将样品取出，去掉聚酰亚胺胶带，并在酒精中超声清洗。本发明提供一种金刚石超硬材料复杂结构的纳米制造方法，实现金刚石陀螺谐振子纳米级精度制造。

(1)样品为金刚石片，边长为4-10mm，厚度为0.1-0.5mm。金刚石是世界上已知最硬的物质，具有优异的力学、光学、热学等性能，是高性能装备和高性能零件稳定可靠服役的保证。