金刚石晶体的定向.doc

金刚石晶体的定向课题背景金刚石晶体属于平面立方晶系，由于每个晶面上原子排列形式和原子密度的不同以及晶面之间距离的不同，造成天然金刚石晶体的各向异性，天然金剐石晶体三个主要晶面(100)、(110)、 (1l1),各晶面各向异性的程度不同，其中(100)晶面各向异性最严重.金刚石不仅各晶面表现的物理机械性能不同、其制造难易程度和使用寿命都不相同。 且同一晶面不同方向的耐磨性也不同。因此，在制造道具时，如果晶向选择不当，即使晶面选择正确，刃磨效率也会大大降低，所以在刃磨过程中要选择晶面的易磨方向，因此，金刚石刀具制造前对金刚石天然晶体的准确定向是台理选择晶面的基础技术，是制造性能优良刀具的必要条件。图1 金刚石晶体结构图晶体定向主要有三种方法：人工目测晶体定向、激光晶体定向和X射线晶体定向人工目测晶体定向该方法是根据天然晶体外部几何形状、表面生长、腐蚀特征及各晶面之间的几何角度关系，凭借操作者长期的工作经验，通过观察和试验所做的粗略晶体定向。该方法简单、易行、不需要借助设备，但定向结果准确性差，对操作者经验要求高，且对于经过加工、失去了天然单晶晶体特征的刀具就无法再进行人工目测定向。X射线晶体定向由于X射线的波长接近晶体的晶格常数，当X射线透过晶体或从晶体表面反射回来时，会发生衍射。利用这个原理已开发有专用的X射线晶体定向仪。 金刚石晶体的X射线定向原理金刚石晶体激光定向激光晶体定向是一种新的晶体定向方法。它是利用金刚石在不同结晶方向上、表面存在一些生长过程中形成的形状规则的晶面晶纹和徽观凹坑、当相干性比较好的激光照射到金刚石晶体表面上的这些晶纹和微观凹坑时，激光被反射到屏幕上形成特征衍射光图像。人们利用这一原理制成了现在所用激光定向仪定向仪采用氦氖激光管输出光为可见光能量集中，光斑直径小，一般不用在暗室中也能在光屏上看到清晰的图像(在暗室中效果更好)。图 金刚石晶体的激光定向原理由氦氖激光器产生激光束，通过屏幕上的小孔，照射到金刚石表面。金刚石表面存在一些在生长过程中形成的形状规则的晶界晶纹和微观凹坑时，如被激光器照射的金刚石表面是某晶面面网，转动金刚石使被测晶面与激光束垂直，激光被反射到屏幕上，形成特征衍射光像，可根据衍射光像的图像的图形知道被激光照射的晶面是什么晶面，也就确定了该晶面在金刚石晶体内的空间方位。激光反射形成的衍射光像，是和金刚石表面的晶纹和微观凹坑具有对应关系。由于金刚石单晶各个晶面的结构不同，晶纹和微观凹坑的形状取决于各晶面面网的结构，即金刚石晶体的各晶面有其固定的晶纹和微观凹坑形状，因此，各晶面反射激光而形成的衍射光像形状也是固定的。图b是（100）晶面的激光衍射光像，光像呈四叶形，而在扫描电镜下观察到的（100）晶面的表面晶纹和微观凹坑呈正方形。（100）晶面是和晶体的4次对称轴相互垂直的，激光衍射光像呈四叶形。图c是（110）晶面的激光衍射光像，光像呈二叶形。在扫描电镜下观察到的（110）晶面的表面晶纹和微观凹坑呈狭缝和长条形。（110） 晶面是和晶体的二次对称轴相垂直的，激光衍射光像呈二叶形。（110）晶面的激光衍射光像的叶瓣所指方向也是该晶面的好磨方向。观察（110）晶面的激光衍射光像还发现，光像叶瓣所指方向是和狭长晶纹或微观凹坑相垂直的。图a是（111）晶面的激光衍射光像，光像呈三叶形。在扫描电镜下观察到的（111）晶面的表面晶纹和微观凹坑呈三角形。（111）晶面是和晶体的三次对称轴相垂直的，激光衍射光像呈三叶形。（111）晶面的激光衍射光像的叶瓣所指方向，也是该镜面的好磨方向。而逆这方向（相差180度）就变成难磨方向。金刚石晶体激光定向的局限性激光对金刚石晶体进行定向作为一种科研方法是可行的 但在实际金刚石刀具加工中 需要大量的定向工作。激光定向则存在以下局限性a 对金刚石单晶体毛坯的初次定向 由于大多数毛坯不具有激光定向所需的理想腐蚀坑 因此要对晶体进行腐蚀处理，一是腐蚀时间长(6 7小时)，温度高(860)；二是时间、温度要控制得当 否则不能获得满意的腐蚀坑，仍不能进行激光定向：三是对金刚石造成重量损失 。b 不能对已加工的金刚石刀具直接进行激光定向，即使经过合理的腐蚀处理 由于所确定的刀具研磨面偏离三个主要晶面(100)，(1 10) (1 1 1)而无法获得所需的特征腐蚀坑，而且腐蚀处理对刀具的破坏性很大。-c 精密的金刚石刀具制作过程中 需不断校正晶轴方向避免偏离所选晶面(1 10)或(10O)太多 若每次校正都要对金刚石晶体先进行腐蚀处理再作激光定向 则生产周期长 刀具失重多 刀具制作不经济激光定向用于生产中还存在一些问题 虽然对人体无害(X一光对人体有一定的影响) 但准备工作多 时间长 对金刚石晶体的重量损失有很大影响。因此实用性受到限制激光对金刚石晶体进行定向的优点：设备价格便宜，约为X射线晶体定向价格的十分之一。操作方便，对操作者无害。所用的氦氖激光管功率