基于抗氧化陶瓷砂轮的单晶金刚石高效机械化学协同抛光研究

为解决单晶金刚石高效高质量加工的难题，研究人员创新性地开发了含金刚石磨料与活性金属元素铝合金磨料的抗氧化高强陶瓷砂轮，基于机械-化学协同机制实现材料去除。研究发现不同合金磨料砂轮形成特异性反应层：AlCr形成Cr7C3与石墨层，AlTi生成TiC与石墨层，AlFe产生Fe3C与石墨层，AlNi催化非晶碳层。实验表明AlFe砂轮材料去除率最高（8.186 μm/h），AlNi砂轮表面粗糙度最优（Sa=0.721 nm），为第四代半导体器件制造提供了超精密加工新策略。

　　

金刚石凭借其无与伦比的硬度（莫氏硬度10，维氏硬度达10,000 kg/mm²）和卓越的热导率（2200 W/(m·K)）、室温载流子迁移率（>4500 cm²/(V·s)）及宽禁带（5.2 eV），被视为第四代半导体器件的理想衬底材料。然而，其原子级表面平整度与无缺陷亚表面质量的严苛要求，与金刚石的高硬度、低断裂韧性和化学惰性形成尖锐矛盾。传统加工技术如机械抛光（MRR<0.1 μm/h）、化学机械抛光（CMP）、激光抛光等均存在效率低下或热损伤严重等问题。金属基砂轮虽能通过摩擦热促进碳溶解扩散，但会导致200 nm深度的亚表面损伤。

厦门市重大科技项目支持的研究团队针对活性金属陶瓷砂轮在烧结与加工中的氧化难题，创新采用AlCr、AlTi、AlFe、AlNi合金磨料制备金刚石陶瓷砂轮。通过氧化稳定性测试证实其在极端环境下的耐久性，并优化转速、进给量等参数强化机械-化学协同抛光效应。研究结合材料去除率分析、表面形貌表征、元素含量测试及第一性原理计算，系统阐明了材料去除机制。

关键技术方法
研究采用光学级CVD单晶金刚石（7×7×0.3 mm³，(100)晶面）为样本，以玻璃结合剂（N68型，含Si、Na₂O等）烧结制备含W10级合金磨料的陶瓷砂轮。通过SEM观察合金粉末形貌，XRD分析烧结前后物相变化，并开展研磨实验对比不同砂轮性能。

研究结果

1. 铝合金粉末特性：SEM显示四种合金粉末粒径均匀，XRD证实680°C烧结后无氧化反应，AlCr保持AlCr₂相，AlTi稳定于Al_0.64Ti_0.36相，AlFe与AlNi分别维持FeAl₃和NiAl₃相结构。
2. 反应层形成机制：第一性原理计算揭示过渡金属（Cr/Ti/Fe/Ni）与金刚石反应能垒低于铝，AlFe砂轮通过Fe₃C层实现最高MRR（8.186 μm/h），AlNi砂轮催化非晶碳层获得最佳表面质量（Sa=0.721 nm）。
3. 抗氧化性能：合金体系通过氧烧结形成保护性氧化层，如AlTi合金耐受温度从纯Ti的350°C提升至680°C，AlNi合金抗氧化阈值超过1000°C。

结论与意义
该研究成功解决了传统活性金属砂轮强度与反应活性的矛盾，通过合金化设计实现了抗氧化与高机械强度的统一。AlFe砂轮的高效去除与AlNi砂轮的原子级光滑表面，为单晶金刚石超精密加工提供了可工业化应用的解决方案。氧化铝（Al₂O₃）原位增强机制为陶瓷结合剂设计开辟了新路径，对第四代半导体器件制造具有重要推动作用。论文发表于《Applied Surface Science》，作者包括Yongkang Xin、Jing Lu等，通讯作者为华侨大学先进碳转化技术研究院的Qiufa Luo。