一種新型水基納米碳晶拋光液及其制備方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于研磨、拋光加工品領域，具體涉及一種新型水基納米碳晶拋光液及其 制備方法。
【背景技術】
[0002] 目前，化學機械拋光(CMP)因為其成本低、拋光速度快被廣泛應用于器件表面的精 密拋光。拋光液是化學機械拋光中最重要的要素，而拋光液中的磨粒種類、分散性等因素對 拋光效果有很大的影響。目前在藍寶石拋光的實際應用中，通常采用氧化硅、氧化鋁等傳統 無機磨粒，但是其對藍寶石的拋光速率低，拋光速率和表面粗糙度上都不能很好的滿足工 業需求。已報道的復合磨粒也都大多是通過高溫煅燒再溶解之后得到復合氧化物磨粒，而 在煅燒再分散過程中，粒子會形成不規則形狀的團聚物，從而增大拋光基片的表面粗糙度。 另外，在傳統無機磨粒表面接枝有機物制備出具有核殼結構的復合磨粒，降低了無機磨粒 的硬度，并且由于表面有機物為惰性體系，不能很好的和基片表面發生化學反應，從而降低 了拋光速率。
[0003] 目前市售的拋光液大多采用氧化鈦，氧化鐵，二氧化硅作為磨料，輔以其他分散助 劑得到拋光液，該類拋光液拋光精度低、研磨速度慢等，遠遠不能滿足現有生產技術需求。 也有少數廠家采用稀土氧化鈰作為磨料制成拋光液，但由于氧化鈰的分散懸浮性能不好， 離子較易團聚，容易劃傷工件，同時由于氧化鈰的懸浮清洗性能不好，拋光液磨料損耗快， 容易粘附在工件及機臺表面，使磨料沉底結塊，研磨拋光效率低。拋光后，工件表面會殘留 較多的拋光粉，難以清洗，為后段生產帶來困難。
[0004] 近年來隨著精密加工的迅速發展，金剛石拋光液發展很快，主要分為油性金剛石 拋光液和水基金剛石拋光液。金剛石拋光液與諸多普通磨料拋光液相比拋光效率提高幾倍 到幾十倍，工件表面粗糙度顯著降低。金剛石拋光液不僅能拋光多種難加工的硬脆晶體材 料，而且拋光中軟的晶體亦有獨到之處。金剛石拋光液具有研磨、拋光、浸潤、黏附、潤滑、冷 卻等多種性能。油性金剛石拋光液浸潤、黏附、潤滑的優點突出，但效率低，不易清洗、不利 環保。水基金剛石拋光液具有環保、無腐蝕性、成本較低、拋光效率高等特點，在各領域得到 了越來越多的應用。但是金剛石微粉比重大，在水中易沉降并最終完全沉淀，會導致加工過 程中拋光液中的金剛石微粉含量不一致，嚴重影響拋光質量和拋光效率。為解決這一問題 中國專利公開號為CN 1940003 A和公開號為CN1560161A分別報道了水基金剛石拋光液及 其制備方法和一種水基納米金剛石拋光液，專利中水基金剛石拋光液的懸浮穩定性能較 好，金剛石微粉在水中不易沉降，前者所用的金剛石平均粒徑限定于20-100nm，后者涉及到 微米級的金剛石微粉平均粒徑限定于20-2000nm的范圍。粒徑的大小和均勾性直接影響拋 光的速度和精度。粒徑大，拋光液不容易混合均勻，易發生沉降，還容易對工件表面造成劃 傷，且拋光后表面粗糙度高，不適合高精密拋光。粒度越細，拋光液濃度越低，越有利于高速 拋光時散熱。因此開發一款研磨拋光效率高，劃傷少，分散懸浮穩定性好的水基表面功能化 納米碳晶拋光液具有重要意義。
【發明內容】
[0005] 本發明的目的在于提供一種新型水基納米碳晶拋光液，提供該新型水基納米碳晶 拋光液的制備方法則是本發明的另一個目的。
[0006] 基于上述目的，本發明采用以下技術方案:一種新型水基納米碳晶拋光液，主要由 下述重量份數的原料制備而成:納米碳晶0.1-10份、分散劑0.05-10份、防腐劑0.01-1份、懸 浮劑0.5-1份、潤濕劑0.01-2份和去離子水80-99份。
[0007] 所述納米碳晶為類球形形貌，C含量為99-100%，晶格間距為0.21nm;該納米碳晶表 面的C原子與內層金剛石相的C原子構成C原子的二聚體結構，C原子的二聚體結構中的兩個 碳原子為非對稱分布;平均粒徑為R，〇<R< 20nm，納米碳晶兼具納米顆粒與碳晶的雙重性 質，具有超硬及高耐磨的特性，納米碳晶為球形顆粒，用于拋光不會劃傷被研磨體，且其顆 粒細小，粒徑在20nm以下且分布均勻，有利于減少磨料對工件表面的劃傷，降低產品的表面 粗糙度，特別適合于高精密拋光加工領域；同時，納米碳晶是一種無污染的新型碳材料，無 毒無害、耐高溫、化學性質穩定，是制備無污染水基拋光液的理想原料。
[0008] 由于納米碳晶比表面積大、比表面能高，納米碳晶比表面積大，吸附能力強，懸浮 劑和分散劑被吸附到納米碳晶表面。由于納米碳晶表面的C原子與內層金剛石相的C原子構 成C原子的二聚體結構，C原子的二聚體結構中的兩個碳原子為非對稱分布，納米碳晶的特 殊二聚體結構使其具有高表面活性，處于熱力學不穩定狀態，在介質中分散穩定性差，容易 發生團聚，同時也易于對納米碳晶進行表面功能化處理，因此采用強酸氧化法對納米碳晶 進行表面功能化處理，處理過程為:將納米碳晶置于質量比為1:(2-5)的濃HN03/濃H2S04的 混合液中，95°C下加熱回流24h后離心沉淀；取沉淀物用去離子水洗滌至洗滌液pH為5.0-6.0，用0.1-0.5mol. L-lNaOH水溶液洗滌沉淀物的同時超聲分散1-2h，然后用0.1-0.5mol · L-1HC1洗滌沉淀物的同時超聲分散1-2h，最后用去離子水洗滌后烘干。經過功能化處理后 可增強粒子之間排斥，減少范德華引力，使顆粒更加親水，從而使得納米顆粒在體系中保持 穩定分散，減少團聚現象的發生。
[0009] 優選地，pH值為6-ll，pH調節劑采用鹽酸或氫氧化鈉，根據不同工件的要求選取相 應的pH值，以提高拋光效率和拋光效果，pH過高或過低都會對材料產生腐蝕。
[0010] 為了使磨料分散均勻，粒子不團聚、不沉底不結塊，優選分散劑為六偏磷酸鈉。采 用六偏磷酸鈉作為分散劑，分散效果佳，納米碳晶能在拋光液中長期穩定分散。
[0011] 優選地，所述防腐劑為食鹽。
[0012] 優選地，所述懸浮劑為蒙脫土。
[0013] 優選地，所述潤濕劑為壬基酚聚氧乙烯醚，可使納米粒子更好的分散，同時還可以 起到抗靜電的作用。
[0014] 所述的新型水基納米碳晶拋光液的制備方法，步驟為： (1) 將納米碳晶加入潤濕劑中，攪拌或超聲混合15_30min，充分潤濕納米碳晶顆粒后得 溶液； (2) 將分散劑、懸浮劑、防腐劑和去離子水混合均勻后加入步驟(1)所得溶液中，超聲或 攪拌使其混合均勻，調節pH值至6-11。
[0015] 本發明制備的水基納米拋光液具有綠色、環保、無腐蝕性、成本低、拋光效率高等 優點，而且在拋光過程中散熱快，適合高速拋光。由于納米碳晶粒度小(在20nm以下），在拋 光過程中不產生劃痕、黑點、粒子殘留等表面缺陷，產品的表面粗糙度降低到O.lnm以下，并 且分散性好，具有良好的拋光效果。
【具體實施方式】
[0016] 下面結合實施例對本發明進行詳細說明。
[0017] 實施例1納米碳晶的制備 本發明中的納米碳晶采用以下方法制備，步驟為： (1)初步破碎:首先將金剛石原料送入機械破碎機的破碎腔內，經過破碎機內部高速回 轉的錘頭作用而破碎，破碎后的料經過不同目數的篩網，大于篩網直徑的料留在破碎機內 部重新破碎，經破碎機下層最細的篩網過濾的顆粒料經篩板收集（篩網目數不低于32目）， 而經其它目數篩網過濾的料可做粗料出售或用于制備其它粒度的料;32目以上的顆粒利用 多層振篩機進行粒度初分，振篩時間一般控制在30min-3h，篩網目數依次從40目到500目排 布，40目篩網分選出的粗料返回機械破碎機進行重新破碎，40目至500目的篩網收集的料用 于制備其它粒度的料，過500目篩網后收集的細料用于制備納米碳晶，為保證分選粒度的準 確性，對收集到的細料重復篩分選一次以上。
[0018] (2 )再次破碎:將步驟（1)篩分出的細料送入氣流破碎機破碎腔內，利用高壓氣流 對細料進行破碎，在氣流破碎機收料口收集經篩網篩分后的料，篩網目數從1000目到10000 目從高到低依次排布，收集10000目篩網篩選的細粉用于制備納米碳晶，其它目數篩網收集 的料用于制備其它料或仍返回氣流破碎機進行重新破碎，1000目篩網收集的粗料自動返回 氣流破碎機進行重新破碎。
[0019] (3)酸洗:將收集的氣流破碎后100