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光学玻璃材料的抛光加工研究

发布时间:2021/7/9

光学玻璃以其良好的物理性能被广泛应用于航天、信息、能源、化工、微电子等领域。伴随着这些领域的不断发展,传统工艺已经不能满足光学元件超光滑表面加工的要求。光学玻璃材料抛光去除机理一直是人们关注的焦点,同时也是变色龙精密玻璃公司这几年对光学玻璃材料重金投入研发重点项目之一。

因此,光学玻璃表面超精密抛光加工需要开展深入而广泛的研究。在众多超精密抛光工艺技术的研究中,以磨粒为基础的加工方法由于抛光过程中加入了氧化铈、金刚石、二氧化硅等磨粒,使加工精度和效率都得到提高;同时,抛光液、抛光剂、抛光剂、抛光机床等设备均可满足加工精度和加工成本的要求。超抛射加工的基本构件:工件,抛光液,研磨颗粒,抛光盘。

抛射工艺在各种光学玻璃材料中得到了广泛的应用。熔融石英制品以其优良的材料性能,在光学玻璃制品中占有极为重要的地位,其优异性能具体表现在:在物理性能方面,熔石英耐高温,膨胀系数低,以及耐磨损、抗热冲击、抗析晶性能好等优点,玻璃制品的透射性非常突出,其透射频率横跨紫外、可见和红外三个光区。

熔石英是一种常温下不定形固体,也就是非晶体,其分子结构呈短程有序、长程无序。熔石的分子结构是四面体结构,每个硅原子被4个氧原子包围,四面体中各有4个氧原子,硅原子位于四面体的中心,

Si-O键的长度约为0.161nm,而与O-Si—O键角为109.5°。熔融石英玻璃不是完全有序的,因此Si—O-Si键角度不固定,它的分布范围一般在120°~180°之间,一般认为是144°。熔石英为SiO_2四面体结构,每个四面体与其它四面体之间通过4个角度的桥氧键连接,形成一个连续的三维网格。

一、磨光液

抛光剂的性能是影响超抛抛光产品质量和抛光效率的重要因素之一。抛光剂一般含有磨粒、分散剂、pH调节剂、氧化剂等成分,各种添加剂的选择和含量都会对抛光效果产生很大的影响,抛光液技术含量高,保密性强,不能再循环使用,成为抛光加工中成本最高的部件。

抛光过程中,磨粒是实现材料去除的主要介质,磨粒经抛光液输送到抛光盘表面上,在受力作用下挤压工件表面,而抛盘与工件之间相互运动所产生的流场将给磨粒提供切向力,对工件表面形成极细的切削、划痕和滚压作用,达到材料去除的目的。因此,研磨颗粒的形状、硬度、粒度对抛光过程中物料的机械去除都有重要影响,同时磨粒的化学性质也直接影响抛光过程中化学反应的进行。第三节和第四节将分别详细介绍磨粒的物理、化学性质对材料去除率的影响。

抛光剂通常是由少量的磨粒或抛光粉和大量的去离子水配制成的悬浮剂。颗粒大小均匀的磨粒容易聚集,形成较大的颗粒团聚物,这对抛光非常不利,因此在抛光液中加入保持磨粒分散稳定性的分散剂。分散剂是一种界面活性剂,具有亲水性和亲油性,能均匀分散部分不溶于液体的固体颗粒。对于抛光液而言,分散剂可以减少抛光液中磨粒颗粒的团聚,提高抛光液中磨粒的分散稳定性。

为了在抛光过程中提供一定的酸碱环境,保证抛光液中的酸碱平衡,抛光液中经常会加入一些化学试剂来调节酸碱度。将有机酸加入到酸性抛光液中,不但可以防止抛光过程中的腐蚀,还可以提高抛光时的去除率,但有机酸对抛光设备有较高的选择性和要求,常用于抛光铜、钨、钛等金属材料。在碱性抛光液中,一般选择碱式抛光液,如氢氧化钠、氢氧化钾、有机胺等碱性物质来调节其酸碱度;碱性抛光液具有较高的腐蚀性和选择性,常用于抛光单晶硅及其氧化物等非金属材料。

二、研磨颗粒

抛光过程中常用的磨粒有氧化铁(FeO2)、氧化硅(SiO2)、氧化铝(Al2O3)、氧化铈(CeO2)、纳米金刚石等。其中SiO2、Al2O3、CeO2在超抛中应用最广泛,其传输电镜图见图2[28]。

SiO2具有较好的稳定性和较低的硬度(平均布氏硬度为7),是一种非常常用的抛光液磨粒材料,它常用于蓝宝石的超抛加工。并利用颗粒大小为10nm的SiO2颗粒,获得光滑表面Ra为0.06nm的粗糙表面。虽然将SiO2用作液体磨粒抛光已被广泛研究和应用,但SiO2硬度较低的特性限制了它作为磨粒的效率和适用范围,在实际加工中存在着局限性。

Al2O3通常被认为比SiO2更高的硬度,其莫氏硬度约8~9,已被广泛用于蓝宝石、碳化硅等硬质材料的抛磨加工。晶型Al2O3有10多种,常见的有α,β,γ等。通常选择粒径50~200nm、分布均匀的α-Al2O3作为抛光磨粒[30]。根据Al2O3的两性化学性质,Al2O3可分为碱性抛光液和酸性抛光液。相对于酸性抛光液,酸性抛光液对设备的腐蚀更为严重,所以碱性抛光液比酸性抛光液适用范围更广。酸碱度是影响碱性抛光液性能的重要因素,经过市场研究发现,抛光液酸碱度大于12时,可提高抛光液的脱除率,但碱度过高也会对设备造成严重腐蚀。所以,如何制备低碱性Al2O3抛光液是目前研究的热点。

CeO2作为一种重要的氧化物抛光材料,在熔融石英、微晶玻璃等材料的超抛加工中得到了广泛的应用。CeO2中的铈元素有Ce3+和Ce4+这两种价态,水溶液中的Ce4+很容易转变成Ce3+,因此,真正参与抛光的Ce3+主要是Ce3+。由于CeO2的化学活性,玻璃表面与CeO2接触的位置容易被氧化或形成络合物,然后在流场剪切力作用下将其去除,从而使CeO2在抛光学玻璃材料中表现出优异的性能。

玻璃抛光

三、抛光盘

抛光盘是由抛光盘和抛光盘两部分组成,抛光盘直接与工件表面接触,其作用大致可概括为:

光学玻璃

1)使工件具有精确的平面或球面形;

2)抛光液的储存和运输;

3)排除抛光过程中的产品;

4)维持超精密抛光过程所需的机械和化学环境。

通常,理想的抛光垫都有复杂的微孔结构,这种结构既有利于抛光液的储存,又有利于磨粒在微孔中自由滚动。

优质的抛光表面极少出现磨削痕迹,甚至需要避免这样的划痕,所以光学材料最终成形时,并非光粒子对抛光片表面的机械磨损。磨砂垫片的制作材料比较多样,最终根据特性,选择PU抛光层在此上面不断进行研发试验。

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