高定向热解石墨单晶的无损解理装置及方法

技术领域

本发明涉及一种高定向热解石墨(Highly Ordered Pyrolytic Graphite,HOPG)单晶的无损解理装置及方法，尤其适用于中子单色器分析器，属于中子散射技术领域。

背景技术

高定向热解石墨单晶因其峰值反射率最高，且非相干散射背景非常低，镶嵌度指标好，因此常用在中子单色器上。且中子单色器是中子衍射谱仪和非弹性散射谱仪不可或缺的核心部件。

随着中子散射实验对散射实验背景、中子通量、分辨率的要求不断提高，探索优化不同的高定向热解石墨单晶的大小及厚度的阵列排布方式来改进中子单色器是非常迫切的。由于高定向热解石墨单晶价格比较昂贵，如果能够从商业高定向热解石墨单晶中无损地解理出特定厚度的单晶，而且保证每片单晶的厚度均匀、表面完整性好、单晶之间的厚度一致性好，而且成功率高、操作方便、快捷和可靠，再用到中子单色器的设计中，进一步提高谱仪的整体性能，是非常必要和非常重要的。

目前公开报道的专利和文献介绍了很多获取单层或少层石墨烯的剥离方法。这些方法是利用各种物理、化学手段，如机械、液相、氧化还原、电化学和超临界流体剥离法等。但这些方法并不适用于获取毫米级厚度的高定向热解石墨单晶片。

实用新型专利“一种热解石墨的加工设备”(申请号：201721096987.7)、发明专利“一种热解石墨的加工设备”(申请号：202011454353.0)及公开文献报道的针对热解石墨的切削加工工艺及装备，是一种传统的去除材料并需要及时除尘的加工装置及方法。这些传统的加工方法不适于本发明涉及到的物理性质接近单晶的高定向热解石墨的无损解理。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高定向热解石墨单晶的无损解理装置及方法，能够无损获取特定厚度的高定向热解石墨单晶片，且厚度均匀、不同单晶片的厚度一致性好，操作方便、快捷和可靠性高。

本发明提供的一种高定向热解石墨单晶的无损解理装置，包括立式基座、一对交叉滚柱导轨副、一个n字型刀片基板、双面V型刃口刀片、L型挡板、厚度调整板和推拉机构；

所述立式基座的侧面设有一凸台，所述凸台沿底座高度方向延伸至所述立式基座的上下两端；

所述一对交叉滚柱导轨副中的两个交叉滚柱导轨副呈镜像竖直布置在所述凸台的左右两侧，每个所述交叉滚柱导轨副中的第一V型滚道导轨固定在所述立式基座上；

所述一个n字型刀片基板中两个侧板呈镜像竖直布置在所述凸台的左右两侧，且每个侧板固定在每个所述交叉滚柱导轨副中的第二V型滚道导轨上；

所述双面V型刃口刀片的左右两端分别固定在所述n字型刀片基板中的两个侧板上且刃口朝下；

所述L型挡板包括互相垂直固定在一起的横向平板和竖向平板，所述厚度调整板固定在所述立式基座的凸台上且位于所述竖向平板和所述凸台之间，所述横向平板穿过所述厚度调整板固定在所述立式基座的凸台上，所述竖向平板与所述厚度调整板之间形成用于放置所述高定向热解石墨单晶的空隙；

所述推拉机构，用于推拉所述n字型刀片基板使所述双面V型刃口刀片在所述一对交叉滚柱导轨副的导向作用下对高定向热解石墨单晶进行无损切割。

进一步地，所述厚度调整板的厚度可为7～8mm；

所述n字型刀片基板与所述厚度调整板之间的垂直距离可为0.5～1.5mm。

进一步地，所述双面V型刃口刀片的厚度可为0.1mm，双面V型刃口边缘厚度可为0.01～0.02mm，V型角度可为15～25度。

进一步地，所述竖向平板与所述厚度调整板之间的垂直距离可比待解理的高定向热解石墨单晶的厚度大1～1.5mm；

所述竖向平板上可通过螺纹连接方式装有4个圆头弹簧螺钉，用于压紧高定向热解石墨单晶并使高定向热解石墨单晶与所述厚度调整板直接接触。

进一步地，所述推拉机构包括固定板、推拉板、螺杆和手轮；

所述固定板水平固定在所述立式底座的顶部；

所述推拉板竖直固定在所述n字型刀片基板上；

所述螺杆自上而下贯穿所述固定板，一端压紧所述推拉板，另一端与所述手轮连接；

转动所述手轮，带动所述螺杆转动和向下运动，进一步推动所述推拉板向下运动。

更进一步地，所述推拉机构还包括一对弹簧；

所述固定板为凸字型平板，且凸起部分位于所述立式底座中凸台的一侧，所述螺杆自上而下贯穿所述固定板的凸起部分；所述固定板中凸起部分左右两侧的肩部分别设有第一螺栓；

所述推拉板为凸字型平板，且凸起部分位于上部，所述螺杆通过凸起部分顶部的凹槽压紧所述推拉板；所述推拉板中凸起部分左右两侧的侧壁上分别设有第二螺栓；

一对所述弹簧分别竖直布置在所述固定板的凸起部分和所述推拉板的凸起部分的两侧，每个弹簧的一端钩在所述第一螺栓上，另一端钩在所述第二螺栓上。

本发明提供的利用上述任一项所述的装置对高定向热解石墨单晶进行无损解理方法，包括如下步骤：

将高定向热解石墨单晶置于所述竖向平板和所述厚度调整板之间，压紧高定向热解石墨单晶使其与所述厚度调整板直接接触；

在所述推拉机构的作用下，所述n字型刀片基板带动所述双面V型刃口刀片在所述交叉滚柱导轨副的导向作用下接触并逐步进入到所述高定向热解石墨单晶中实施切片。

上述的方法中，解理之前，所述一对弹簧呈拉伸状态。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、L型挡板上部的4条圆头弹簧螺钉既能够适度地压紧高定向热解石墨单晶，又能够在高定向热解石墨单晶在逐步被切开解理的过程中，圆头弹簧螺钉自如地压缩从而及时让出双面V型刃口刀片的空间；2、转动手轮带动螺杆转动，推动推拉板、双面V型刃口刀片向下运动实施切片解理的过程中，一对弹簧拉伸作用使得双面V型刃口刀片的运动平稳且始终保持与高定向热解石墨单晶的接触；3、一次解理后所获得的两片单晶厚度均匀、多次解理获得的高定向热解石墨片单晶片之间的厚度一致性好，新鲜的高定向热解石墨单晶的表面完整性好，而且操作方便、快捷和可靠性高；4、一次解理完成后，随着螺杆反向转动，一对弹簧在回复力的作用下带动双面V型刃口刀片顺利复位到初始状态。

附图说明

图1是本发明的高定向热解石墨单晶的无损解理装置三维结构示意图。

图2是本发明在高定向热解石墨单晶的无损解理过程中的三维结构示意图。

图3是本发明在高定向热解石墨单晶的无损解理过程中隐藏推拉板、n字型刀片基板、双面V型刃口刀片后的三维结构示意图。

图4为本发明中立式基座正面和反面的局部放大示意图。

图5为本发明中交叉滚柱导轨副结构的局部放大示意图。

图6为本发明中用于展示交叉滚柱导轨副中滚柱的局部放大示意图。

图7为本发明中双面V型刃口刀片的局部放大示意图。

图8为本发明中圆头弹簧螺钉在压紧高定向热解石墨单晶时的局部放大示意图。

图9为本发明中圆头弹簧螺钉部分剖切示意图。

图10为本发明具体实施例中解理得到的高定向热解石墨单晶片的照片。

图1-图3中，各标记如下：

1-立式基座；1-1凸台；2-一对交叉滚柱导轨副；2-1-第一V型滚道；2-2-第二V 型滚道；2-3-保持架；2-4-N个滚柱；3-n字型刀片基板；4-双面V型刃口刀片；5-L 型挡板；5-1-圆头弹簧螺钉；5-1-1-钢球；5-1-2-弹簧；6-推拉板；7-一对弹簧；8-螺杆； 9-手轮；10-固定板；11-厚度调整板；12-高定向热解石墨单晶。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”、以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。

如图1-图3所示，本发明高定向热解石墨单晶的无损解理装置，包括立式基座1、一对交叉滚柱导轨副2、一个n字型刀片基板3、双面V型刃口刀片4、L型挡板5、厚度调整板11和推拉机构；

立式基座1的侧面设有一凸台1-1，如图4所示，凸台1-1沿底座高度方向延伸至立式基座1的上下两端；立式基座1的背部靠下有一个带孔的方槽，用于固定整个装置；

一对交叉滚柱导轨副2中的两个交叉滚柱导轨副呈镜像竖直布置在立式基座1中凸台1-1的左右两侧，如图5和图6所示，且每个交叉滚柱导轨副包括第一V型滚道导轨2-1、第二V型滚道导轨2-2、保持架2-3和N个滚柱2-4，保持架2-3上载着N 个滚柱2-4且嵌在第一V型滚道导轨2-1和第二V型滚道导轨2-2之间，使得第一V 型滚道导轨2-1和第二V型滚道导轨2-2相对运动时为滚动摩擦，且每个交叉滚柱导轨副中的第一V型滚道导轨2-1通过均布的螺栓固定在立式基座上，第二V型滚道导轨2-2与立式基座1之间不接触，垂直距离0.3～0.5mm；

一个n字型刀片基板3中两个侧板呈镜像竖直布置在凸台1-1的左右两侧，每个侧板通过均布的螺栓固定在左侧交叉滚柱导轨副和右侧交叉滚柱导轨副的第二V型滚道导轨2-2上，与左侧交叉滚柱导轨副和右侧交叉滚柱导轨副的第一V型滚道导轨之间2-1不接触，垂直距离0.3～0.5mm；具体地，一个n字型刀片基板3中两个侧板的中间位置分别均布有3个螺纹孔，通过调整平端紧定螺钉，顶住左侧交叉滚柱导轨副和右侧交叉滚柱导轨副的第二V型滚道导轨2-2的中间位置，分别消除左侧交叉滚柱导轨副和右侧交叉滚柱导轨副的间隙，再通过均布的螺栓将n字型刀片基板3与左侧交叉滚柱导轨副和右侧交叉滚柱导轨副的第二V型滚道导轨2-2紧固，使得左侧交叉滚柱导轨副和右侧交叉滚柱导轨副的直线度达到～1微米；

双面V型刃口刀片4，其厚度h

L型挡板5，包括互相垂直固定在一起的横向平板和竖向平板，厚度调整板11，为长方块，通过螺栓固定在立式基座1的凸台1-1上且位于竖向平板和凸台1-1之间，横向平板通过螺栓穿过厚度调整板11固定在立式基座的凸台1-1上，竖向平板与厚度调整板11之间的空隙用于放置高定向热解石墨单晶，竖向平板与厚度调整板11之间的垂直距离为H+1～H+1.5mm，H为原有高定向热解石墨单晶的厚度；如图8所示，竖向平板上通过螺纹连接方式装有4个圆头弹簧螺钉5-1，用于压紧高定向热解石墨单晶并使高定向热解石墨单晶与厚度调整板11直接接触；如图9所示，圆头弹簧螺钉5-1的前端带一个钢球5-1-1，中间有一根弹簧5-1-2的螺栓；厚度调整板11可根据需要设置多种厚度规格替换使用，以调整解理出来的高定向热解石墨单晶的厚度，优选地，为了无损解理获取比较薄的高定向热解石墨单晶，厚度调整板11的厚度为 7～8mm，n字型刀片基板3的外表面与厚度调整板11之间的垂直距离h为0.5～1.5mm，即可获得0.5+h

优选地，推拉机构包括推拉板6、一对弹簧7、螺杆8、手轮9和固定板10，用于推拉n字型刀片基板使双面V型刃口刀片在一对交叉滚柱导轨副的导向作用下对高定向热解石墨单晶进行无损切割；

固定板10为凸字型平板，通过螺栓水平固定在立式基座的顶部且凸起部分位于立式基座中凸台的一侧；固定板中凸起部分左右两侧的肩部分别设有1个第一螺栓；

推拉板6为凸字型平板，通过螺栓竖直固定在n字型刀片基板3上且凸起部分位于上部，推拉板中凸起部分左右两侧的侧壁上分别设有1个第二螺栓；

螺杆8自上而下贯穿固定板的凸起部分并通过螺纹与固定板连接，螺杆的一端通过推拉板凸起部分顶部的凹槽压紧推拉板，另一端通过螺纹与手轮9连接；

一对弹簧7中的两个弹簧分别竖直布置在固定板凸起部分和推拉板凸起部分的左右两侧，每个弹簧的一端钩在第一螺栓上，另一端钩在第二螺栓上；

如图2所示，本发明高定向热解石墨单晶的无损解理装置使用时，工作模式为立式，转动手轮带动螺杆转动和向下运动，推动推拉板向下运动，从而带动双面V型刃口刀片在一对交叉滚柱导轨副的导向作用下，在一对弹簧拉伸作用下，双面V型刃口刀片竖直向下平稳地运动，双面V型刃口刀片开始接触并逐步进入到高定向热解石墨单晶中，稳定实施切片，此时L型挡板上的4条圆头弹簧螺钉自如地压缩让开双面V型刃口刀片的厚度这样一个距离，使其继续向下平稳运动，直至高定向热解石墨单晶完全解理，获得特定厚度的高质量高定向热解石墨单晶片。

下面以高定向热解石墨单晶34mm(长)×20mm(宽)×2mm(厚)为例，对本发明作进一步说明。

实施例1、高定向热解石墨单晶无损解理装置及方法

选择M3的圆头弹簧螺钉，长6mm，钢球的直径0.75mm，承受负载0～5N。

双面V型刃口刀片的厚度为h

一对弹簧的外径5mm，钢丝直径0.4mm，自然长度25mm。

解理前状态：

如图1所示，单晶34mm(长)为竖直方向，放置在L型挡板与厚度调整板之间，厚度调整板的厚度为8mm，L型挡板中竖向平板与厚度调整板11之间的垂直距离为 3.5mm，n字型刀片基板3与厚度调整板11之间的垂直距离h＝0.9mm，一对弹簧处于拉伸状态，拉伸的长度约5mm，使得整个装置处于一个初始平衡位置，此时双面V 型刃口刀片距离高定向热解石墨单晶的上沿约3mm。

无损解理过程：

工作模式为立式，转动手轮带动螺杆转动和向下运动，推动推拉板向下运动，从而带动双面V型刃口刀片在一对交叉滚柱导轨副的导向作用下，在一对弹簧拉伸作用下，双面V型刃口刀片竖直向下平稳地运动，双面V型刃口刀片开始接触并逐步进入到高定向热解石墨单晶，稳定实施切片，如图2，3所示，双面V型刃口刀片进入到高定向热解石墨单晶深10mm，此时L型挡板上的4条圆头弹簧螺钉自如地压缩让开双面V型刃口刀片的厚度这样一个距离，使其继续向下平稳运动，直至高定向热解石墨单晶完全解理，获得特定厚度的高质量高定向热解石墨单晶片。

实验结果如下：解理得到的高定向热解石墨单晶片的平均厚度为0.949mm，厚度均匀。经过5次解理，其厚度分别为0.951mm、0.949mm、0.948mm、0.950mm、0.949mm，误差±2微米以内，厚度一致性好；由图10可以看出，解理得到的高定向热解石墨单晶片的表面光亮、平整、完整性好，本发明可实现高定向热解石墨单晶的无损解理。