金剛石：“急急如律令，破！”

金剛石，其晶體中碳原子以SP3雜化軌道形成了共價鍵，構成了極其穩定的正四面體結構，這賦予了其極高的硬度，其莫氏硬度達到了10，是自然界中最硬的物質，更是成為衡量其他物質硬度的標準。

如此高的硬度使得金剛石成為了加工領域的“王者”。金剛石面前，無所不破，即使面對硬質合金、陶瓷等這些堅硬的難加工材料時，金剛石工具及材料同樣展現出極高的“破壞力”。

來源：中兵紅箭

隨著新能源汽車、光伏、半導體等新興產業迅速發展，日益苛刻的機械加工要求逐漸成為剛需，擁有超高的硬度和耐磨性的金剛石工具或材料正成為精密加工領域的首選。

金剛石在機械加工中的核心角色

作為切削刀具

金剛石作為切削刀具的優點是高硬度、高耐磨性，能夠加工超硬材料。由于金剛石本身的硬度非常大，可以獲得高精度的刀尖圓弧半徑，提高加工質量，因而廣泛用于精加工、半精加工。金剛石刀具能夠直接對淬硬工件進行加工，可以實現“以車代磨”、“以車代銑”等，從而減少工序，縮短工藝流程，降低加工成本，提高勞動生產率。而且金剛石對鋁合金、銅合金、鈦合金等有色金屬進行切削加工時，由于摩擦系數低、導熱率高，可實現對其進行高速度、高精度、高效率、高質量的加工。金剛石刀具的切削速度遠高于硬質合金刀具，用金剛石的車刀車削鋁合金切削速度可達到5000m/min，而且刀具耐用度也可較硬質合金刀具提高幾十倍乃至上百倍。

圖片來源：元素六

用于磨具及磨料

磨削作為目前獲得高精度、高表面質量最常用的主要加工方法，其磨料的選擇尤為重要。由于金剛石為最硬的磨料，能夠長時間保持鋒利性，不易磨鈍，磨削效率高。而且摩擦系數小，較少產生粘結磨損，再加上導熱系數大，不易發生磨削燒傷。因此，金剛石作為磨料得到了極大的重視和廣泛的應用。

來源：元素六

金剛石涂層刀具

CVD、PVD等技術的發展，是切削工具領域中的一次重大革命，從而涂層刀具得到大規模應用。涂層刀具既有表層的高硬度，又保持了原基體的韌性，是理想的切削工具。近年來，金剛石涂層正得到全面推廣。應用較廣的是鎢硬質合金切削刀具的“薄膜”CVD金剛石鍍層，其金剛石涂層厚度不宜超過10μm。現在又有一種“厚膜金剛石”，它是純度非常高、非粘接劑的整體金剛石。典型厚度為150~1000μm，硬度更高，不同于天然金剛石的是，它各向同性，作為刀具磨損均勻。而且隨著科技的進步，金剛石涂層的許多技術難題將得到更好的解決，其市場前景廣闊。

修整刀具

金剛石作為修整刀具主要用于磨削砂輪。砂輪在使用一段時間后，其磨削刃因磨損而變鈍，磨粒之間的氣孔容易被工件磨屑糊塞，從而使磨削效率降低，且容易發生磨削燒傷。因此，要對砂輪表面進行修整，對于硬度較大的砂輪，尤為重要。砂輪常用磨料為剛玉和碳化硅，它們硬度都非常高，一般材料難以對其修整。而硬度更高的金剛石足以勝任，能從磨削砂輪表面去除磨鈍的磨料顆粒。

半導體制造：金剛石的高端舞臺

半導體的加工技術是芯片制造的基礎，也是國家高端裝備和先進制造技術水平的重要標志之一。半導體加工是從晶棒到單個芯片的過程，金剛石工具在這一過程中起著至關重要的作用，如晶棒剪裁、晶圓減薄、劃片等。

半導體硅晶圓加工應用的金剛石工具

金剛石線鋸

金剛石線鋸是在基體上固結金剛石磨料的一種切割工具，因其切縫小于0.5mm的特點可以加工普通硬脆材料，適用于藍寶石、水晶、太陽能級多晶硅等硬脆材料的切割。

隨著大尺寸硅片和藍寶石片的應用和發展，金剛石線鋸成為了新一代硅片和藍寶石片的切割工具，其加工表面損傷小、撓曲變形小、切片薄、片厚一致性好，能切割大尺寸硅／藍寶石錠，省材料、效益高，產量大，效率高，這一系列無可比擬的優點將受到硅片和藍寶石加工企業的高度重視。

金剛石超薄劃片

超薄劃片由金剛石和粘結劑組成一個圓環薄片狀，厚度在0.015～0.3ｍｍ之間，可分為金屬結合劑刀片和樹脂結合劑刀片兩種。其中金屬結合劑電鍍刀片的厚度為0.015ｍｍ～0.1ｍｍ，金屬結合劑熱壓刀片和樹脂結合劑刀片的厚度為0.1ｍｍ～0.3ｍｍ。超薄劃片廣泛應用于電子工業對各種硬脆材料進行切割或開槽加工，如硅、鍺、磷化鎵、砷化鎵、磷砷化鎵、鐵氧體、鈮酸鋰、鉭酸鋰、壓電陶瓷、光學陶瓷、玻璃等；具有切割精度高、割縫窄、使用壽命長等特點。

高精密金剛石砂輪

金剛石砂輪在晶硅和藍寶石等硬脆材料加工過程中的應用最為廣泛，從晶棒的處理到晶片的粗加工進而到精加工等步驟，均要用到不同種類的金剛石砂輪；主要包括晶棒滾圓砂輪、平面研磨砂輪、減薄砂輪以及拋光砂輪等，金剛石粒度從250＃到8000＃均有涉及，胎體材料包括金屬基、樹脂基和陶瓷基。

高精度套料鉆頭

套料鉆頭加工對象為藍寶石等較為貴重的硬脆材料，主要用于表殼、光學玻璃、LED襯底的加工，鉆頭的精度要求非常高，具有極高的附加值。套料鉆頭制造技術包括超薄環狀刀頭制造技術、高精度焊接技術以及鉆頭后續修磨技術；其中超薄環狀刀頭的質量對產品的最終使用性能起決定性的影響。

CMP修整器

修整盤又叫修整器、鉆石碟，一般是在表面涂布鍍鎳金剛石顆粒的圓盤。金剛石顆粒以一定的圖形排列而成，根據不同的技術要求，輔助以不同的凹凸圖案，提升再生效果。

在CMP（化學機械拋光）工藝中，拋光墊本身不斷被拋光而變得光滑，使用過的拋光液以及在拋光過程中產生的廢棄物會沉積在拋光墊的表面，這就需要使用修整盤對拋光墊進行修整再生，重新塑造拋光墊的表面粗糙度，恢復使用性能。修整可以清除堵塞小孔的碎屑和微粒，去除拋光墊的釉面，使拋光墊得到重生，獲得所需的粗糙度和多孔性。此外，修整還可以減少更換拋光墊的次數，節省使用新拋光墊所需的重新調整校正到穩定的步驟和時間，從而大大提高CMP工藝的穩定性。

CMP磨料

CMP主要是依靠磨料的機械作用以及化學成分的的化學作用協同作用，磨料在CMP拋光中起到了至關重要的作用。隨著碳化硅、氮化鎵、金剛石等新一代半導體的興起，面對這些硬質半導體材料，以往的氧化鈰、氧化鋁、氧化硅等磨料在加工性能及效率方面漸漸力不從心，而金剛石作為CMP磨料正被看好。

小結

當前，金剛石正在眾多的新興工業材料加工領域體現其超卓的性能，越來越多地體現其“工業牙齒”的作用，成為精密加工領域的首選。隨著新興領域的不斷擴容以及技術迭代需求，金剛石工具及材料將迎來更大的舞臺。

參考來源：

[1]徐良等.晶硅和藍寶石加工用金剛石工具

[2]李程輝等.金剛石在機械加工中的應用

[3]劉一波等.新興工業材料加工用金剛石工具

[4]軒闖等.半導體加工用金剛石工具現狀

[5]中國粉體網