人造藍寶石製造

人工生長的藍寶石(Al2O3)優點為生產技術成熟、元件品質較好，可耐高溫、耐化學侵蝕，且其硬度高，故易於處理與清洗。其缺點如藍寶石屬絕緣體，其導電與導熱性不佳，做為LED用基板不利於LED元件散熱，另外，藍寶石硬度非常高，對於切割製程設備相對需較高投資。
人工藍寶石的製作流程：準備原料→填充原料及架設晶種→爐體抽真空→爐體加熱（爐體加入鉬隔熱屏和鎢隔熱屏）→原料熔化→熔接晶種→晶頸生長→晶體生長→晶體與坩堝分離（這裡面的坩堝大多是耐高溫的。）→冷卻→取出晶體。
人工藍寶石基片的製作流程：

晶體常見生長方法：
提拉法：提拉法是將構成晶體的原料放在坩堝中加熱熔化，在熔體表面接籽晶提拉熔體，在受控條件下，使籽晶和熔體在交界面上不斷進行原子或分子的重新排列，隨降溫逐漸凝固而生長出單晶體。提拉法的生長技術首先將待生長的晶體的原料放在耐高溫的坩堝中加熱熔化，調整爐內溫度場，使熔體上部處於過冷狀態；然後在籽晶桿上安放一粒籽晶，讓籽晶接觸熔體表面，待籽晶表面稍熔后，提拉並轉動籽晶桿，使熔體處於過冷狀態而結晶於籽晶上，在不斷提拉和旋轉過程中，生長出圓柱狀晶體。
泡生法：泡生法的原理與提拉法類似。首先原料熔融，再將一根籽晶與熔體接觸，如果界面的溫度低於凝固點，則籽晶開始生長。為了使晶體不斷長大，就需要逐漸降低熔體的溫度，同時旋轉晶體，以改善熔體的溫度分布。也可以緩慢地(或分階段地)上提晶體，以擴大散熱面。放肩階段與提拉法類似，停止或保持旋轉，以調整各方向均勻生長，降低拉速使晶體長到預期的直徑，然後保持或停止拉速，由於結晶過程的自身特點，在合適的溫度梯度下，晶體能自行完成等徑生長。晶體在生長過程中或生長結束時不與坩堝壁接觸，這就大大減少了晶體的應力，不過，當晶體與剩餘的熔體脫離時，通常會產生較大的熱衝擊。
熱交換法：利用熱交換器來帶走熱量，使得晶體生長區內形成一下冷上熱的縱向溫 度梯度，同時再藉由控制熱交換器內氣體流量(He冷卻源)的大小以及改變加熱功率的高低來控制此溫度梯度，藉此達成坩堝內熔湯由下慢慢向上凝固成晶體之目的。

晶體生長方法	柴氏拉晶法(Czochralski method) 提拉法（CZ）	凱氏長晶法(Kyropoulos method) 泡生法（KY）	熱交換法（HEM）
晶體形狀	棒狀	梨狀	梨狀
晶體尺吋	受尺寸限制，目前直徑及有效長均小於150mm	較大尺寸，目前一般為35-90kg	大尺寸，目前一般為65-100kg
晶體質量	好	較好	好
優點	1.生長情況便於觀察，尺寸易控制 2.晶體外觀整齊	1.晶體質量較好 2.成本低	1.晶體尺寸體積大 2.質量較好
缺點	1.位錯密度較大 2.需要銥金坩鍋，成本高	1.操作複雜，一致性不高，成品率較低 2.不易生長C軸晶體	1.熱場不易均勻 2.需要大量氦氣做冷卻劑，成本高

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人造藍寶石介紹

藍寶石主要化學成分Al2O3，藍寶石屬於三方晶系其晶體結構為六方晶格結構，在自然界中當藍寶石在生長時，晶體內含有鈦離子(Ti3+)與鐵離子(Fe3+)時，會使晶體呈現藍色，而成為藍色藍寶石(Blue Sapphire)。當晶體內含有鉻離子(Cr3+)時，會使晶體呈現紅色，而成為紅寶石(Ruby)。又當晶體內含有鎳離子(Ni3+)時，會使晶體呈現黃色，而成為黃色藍寶石。就顏色而言，單純的氧化鋁結晶是呈現透明無色的，因不同顯色元素離子滲透於生長中的藍寶石，因而使藍寶石顯出不同的顏色。

藍寶石單晶體具有機械、光學以及熱學特性方面特性，具有零孔隙度，已被廣泛地應用於科學技術、國防與民用工業、電子技術的許多領域。比如透紅外視窗材料，微電子領域的襯底基片，鐳射基質、光學元件及其它用途等。

人造藍寶石特性：

• 高硬度，耐磨，硬度僅次金鋼石，莫氏硬度9
• 化學性質非常穩定，一般不溶于水和不受酸、堿腐蝕，只有在較高溫度下(300℃)可為氫氟酸、磷酸和熔化的氫氧化鉀所侵蝕。
• 高溫下介電性穩定
• 良好的導熱性
• 高熔點，在高溫下仍具有較好的穩定性，熔點為2030℃
• 輻射穩定性
• 在一定條件下增強光學輻射效應的能力
• 光透性能好，對紅外線透過率高

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拋光加工介紹PART4-化學拋光方式

化學拋光方式

化學拋光

化學拋光是讓材料在化學介質中表面微觀凸出的部分較凹部分優先溶解，從而得到平滑面。這種方法的主要優點是不需複雜設備，可以拋光形狀複雜的工件，可以同時拋光很多工件，效率高。化學拋光的核心問題是拋光液的配製。化學拋光得到的表面粗糙度一般為數 10μ m 。

拋光加工介紹PART3-固定磨粒方式

固定磨粒方式拋光加工

微粒磨輪研磨法
粒磨輪研磨法使用結合劑較差的微細磨粒磨輪的搪光或超精加工，主要是作為圓筒狀機械零件的內外圓周面之精加工方法，自古以來就已實用化了。

拋光加工介紹PART2--游離磨粒方式

游離磨粒方式拋光加工

機械拋光
在游離磨粒方式中，為最普遍且基本的研磨方法，機械拋光是靠切削、材料表面塑性變形去掉被拋光後的凸部而得到平滑面的拋光方法，一般使用油石條、羊毛輪、砂紙等，以手工操作為主，特殊零件如回轉體表面，可使用轉檯等輔助工具，表面品質要求高的可採用超精研拋的方法。

拋光原理介紹PART1

拋光加工原理
利用柔性拋光工具和磨料顆粒或其他拋光介質對工件表面進行的修飾加工。拋光不能提高工件的尺寸精度或幾何形狀精度，而是以得到光滑表面或鏡面光澤為目的，有時也用以消除光澤（消光）。通常以拋光輪作為拋光工具。拋光輪一般用多層帆布、毛氈或皮革疊制而成，兩側用金屬圓板夾緊，其輪緣塗敷由微粉磨料和油脂等均勻混合而成的拋光劑。拋光時，高速旋轉的拋光輪（圓周速度在20米/秒以上）壓向工件，使磨料對工件表面產生滾壓和微量切削，拋光的去除單位很小，故加工效率低，且因為使用容易變形的拋光機，故為容易產生形狀崩潰的工程。所以在施工上儘可能以較少的去除量，獲得光亮的加工表面，表面粗糙度一般可達Ra0.63～0.01微米;當採用非油脂性的消光拋光劑時，可對光亮表面消光以改善外觀。
拋光加工效率的因素

• 拋光加工量 R=k.p.v.t 其中p為拋光壓力、v為拋光速度、t為加工時間、k為比例常數。
• 拋光效率與附加壓力(p)及拋光距離(v.t)成正比。
• 為了保持一定的加工效率，除了拋光壓力、速度等加工條件外，嚴加管理研磨液濃度、溫度、拋光機的狀態等，是使拋光穩定的重要因素。

研磨的加工變質層

• 加工變質層使工件材質的結構、組織和組成遭到破壞或接近於破壞狀態。在變質層部分存在變形和應力，還有其物理的和化學的影響等。硬度和表面強度變化等機械性質和耐腐蝕性等化學性質也與基體材料不同。
• 硬脆材料經研磨後的表面 ，經研磨的單晶矽表面，使用氟、硝酸系列的溶液進行化學浸蝕，依次去掉表層，用電子衍射法進行晶體觀察時，從表層向內部的順序為非晶體層或多晶體層、鑲嵌結構層、畸變層和完全結晶結構。另外，從使用X射線衍射法的彈塑性學的觀點來評價，則表層是由極小的塑性流動層構成，其下是有異物混人的裂紋層，再下則是裂紋層、彈性變形層和主體材料。
• 在研磨金屬材料時，雖不發生破碎，但磨粒轉動和刮削時，由於材料承受了塑性變形，通常形成與上述矽片相類似的加工變質層。相反，例如是多晶的金屬材料，則越接近被加工的表層，晶粒越微細，累積位錯在最表層，變成非晶質狀態。在這部分，金屬與大氣中的活性氧結合，變得活躍。另外，有時發生因塑性變形而使磨粒等容易嵌進金屬。

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碳纖複合材鑽孔加工-航太工業高階複合材鑽孔測試

航空難加工材料強度大、硬度高，耐衝擊、加工中容易硬化，切削溫度高、刀具磨損嚴重，如鎳基高溫合金、鈦合金、高強度結構鋼碳纖複合材等被現代航空產品大量採用。

切削加工金屬件表面粗糙度的對應措施

刀具震動及表面粗糙度不好時應該檢查哪些？

• 檢查精加工刀具是否變鈍，有缺口或破損
• 檢查冷卻液是否在加工過程中一直合適噴出，並指向切削區域
• 確信能夠正確斷屑，並且不產生螺旋狀切屑
• 粗加工之後不要只進行一次測量就切掉太多餘料
• 確定所使用的刀片適合於正在加工的工件材料
• 檢查進給率和主軸轉速
• 檢查工件的硬度
• 試著使用一個不同的刀柄

切削加工金屬件表面粗糙度的對應措施

• 增加運動機構本身的精度，減少振動調整車床主軸；增加跟刀架瓜腳支承面積，選用精度比較理想的頂針，增加工件裝夾剛性。
• 改善工件材料加工性能，在不影響工件性能的條件下，適當調整化學成份，加入少量的硫、錳、鋁等元素，降低材料塑性，減少刀具粘結磨損，抑制積屑瘤的產生．材料加工前進行適當的熱處理，改善其硬度、塑性。
• 切削液的合理選用，若切削液選用得好，可以很有效提高刀具的耐用度，減小刀具的磨損，有效地減小工件的塑性變形可減小表面粗糙度數值。
• 合理選擇刀具切削部分材料，例如：高速精加工有色金屬及非金屬材料時一般使用鑽石刀。其硬度高、耐磨性好，切削刃鋒利，摩擦係數小，切屑與刀具不易產生粘結，不產生積屑瘤。
• 選擇刀具合理的幾何參數
• 合理選擇切削用量，選用小的進給量，降低殘留高度; 選用小的切削厚度。減小工藝系統變形以及振動，降低表面粗糙度;切削速度避免積屑瘤產生的區域以及自激振動的臨界速度…。
• 對於來自本機床之外的振源，一般可用隔離的措施，如隔離溝，防振墊等。對於機床內部運動部件的振動，一般要查清主要振源來自哪個部件，再採取措施。

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切削加工表面粗糙度

表面粗糙度

表面粗糙度是指工件表面上具有的較小間距的微小峰谷組成的微觀幾何形狀特性。表面缺陷應從中排除，且不考慮表面其他物理特性諸因素；為避免與光亮，清潔的概念混淆並與國際間稱呼一致，不採用“表面光潔度”這一術語，而稱作表面粗糙度。

切削加工與表面粗糙度

表面粗糙度是在機械加工過程中，由於刀痕，材料的塑性變形，機械加工高頻振動，刀具與被加工表面的摩擦等原因引起的。它對零件的配合性能，耐磨性，抗腐蝕性，接觸剛度，抗疲勞強度，密封性和外觀等都有影響。

同一零件上，工作表面的粗糙度允許值應小於非工作面的表面粗糙度允許值，配合性質相同時，零件尺寸小的比尺寸大的表面粗糙度允許值要小；同一公差等級，軸比孔的表面粗糙度允許值要小；運動速度高，壓力大的摩擦表面比運動速度低，壓力小的摩擦表面粗糙度允許值小；一般來講，表面形狀精度要求高的表面，表面粗糙度允許值也小；不同的表面粗糙度允許值，其加工方法是不同的，因此，經濟效果也是不同的，在選擇表面粗糙度允許值時必須予以考慮。

影響切削加工表面粗糙度的常見因素

刀具幾何形狀及切削運動的影響

刀具相對於工件作進給運動時，在加工表面留下了切削層殘留面積，從而產生了表面粗糙度，殘留面積的形狀是刀具幾何形狀的複映，其高度受刀具的幾何角度和切削用量大小的影響。

工件材料性質的影響

加工塑性材料時，由於刀具對加工表面的擠壓和摩擦，使之產生較大的塑性變形，加之刀具迫使切屑與工件分離時的撕裂作用，使表面粗糙度值加大。一般來說，材料塑性變形趨勢越大或韌性越大，被加工表面粗糙度就越大。切削脆性材料時，塑性變形小些，控制好切屑崩碎現象，就容易達到表面粗糙度的要求。對於同樣的材料。金相組織越是粗大，切削加工後的表面粗糙度值也會越大。

切削用量

切削用量中，切削速度對表面粗糙度的影響比較複雜。但在中等速度下，塑性材料由於容易產生積屑瘤與鱗刺，且塑性變形較大，因此表面粗糙度值會變大。加工脆性材料時，由於塑性變形很小，主要形成崩碎切屑，切削速度的變化對表面粗糙度影響較小。減少進給量f可以減少切削殘留面積高度，使表面粗糙度值減小。但進給量f太小刀刃不能切削而形成擠壓，增大了工件的塑性變形，反而會增大表面粗糙度值。一般，背吃刀量對表現粗糙度影響不明顯。

振動

無論外界振動的傳入，機床內部運動部件的振動，還是機械系統在某特定條件下產生的切削振動均會嚴重惡化工件表面粗糙度，所以必須採取適當的措施來減少振動。

高溫切削產生切削熱

在高速切削條件下，高溫效應導致工件已加工淺薄表面發生熔融現象，在刀具運動的作用下， 工件已加工淺薄表面熔融金屬發生少量定向粘塑形流動。

積屑瘤的影響

在切削過程中，當刀具前刀面上存在積屑瘤時，由於積屑瘤的頂部很不穩定，容易破裂，一部分連附於切屑低部而排出，一部分則殘留在加工表面上，使表面粗糙度增大。

鱗刺

鱗刺是指已加工表面上鱗片狀的毛刺，是用高速鋼刀具低速切削時，經常見到的一種現象。鱗刺一般是在積屑瘤增長階段的前期裡形成的。甚至在沒有積屑瘤的時候，以及在更低一些的切削速度範圍內也有鱗刺發生。

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CVD單晶鑽石刀具

鑽石在任何大批量材料中具有最高的硬度和導熱係數，並且以其卓越的光學特性，電學性能，化學以及抗磨損性能，使得鑽石成為在科學和工業領域中最廣受歡迎的材料。

加工物件與刀具形狀

加工物件與刀具形狀

形式代號	形式	圖示	特性及適用範圍
W	無斷屑齒		細加工用，適用較軟的黏性或長切屑材料。加工面良好。
WF	平行、斷屑齒		粗及細加工，適用於較軟的黏性或長切屑材料，切屑折斷而不連續，加工面條紋肉眼可見。
N	無斷屑齒		粗及細加工用，適用於一般強度之材料，切屑折斷而不連續，加工面條紋肉眼可見。
NR	圓形斷屑齒		粗加工用，適用於一般強度之材料，切屑折斷不連續可承受較大進刀量，加工面條紋較粗糙。
NRF	圓形、細斷屑齒		粗加工用，適用於較NR型所適用更高強度之材料。連續可承受較大進刀量，加工面條紋較粗糙。
H	無斷屑齒		細加工用，適用於較硬的短切削材料，銑刀槽數較多，切削角較小。
HF	無斷屑齒		粗加工用，適用於高強度難切削材料。切削角、離隙角及熱處理等都能配合。
HFR	圓形斷屑齒		粗加工用，適用於高強度難切削材料，如鈦合金等，銑刀有較大之容屑槽及180°之環角。
HFP	平行、粗斷屑齒		粗及細加工用。適用於高強度難切削材料，如鈦合金等，其平行斷屑齒，分常強韌，能承受高度材料切屑折斷之力量。

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鉸刀介紹-part3-鉸孔

鉸孔是將擴大一個已經存在的孔。鉸孔和鑽孔、擴孔一樣都是由刀具本身的尺寸來保證被加工孔的尺寸的，但鉸孔的品質要高得多。鉸孔時，