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纳米颗粒胶体射流抛光机理及试验研究

宋孝宗  
【摘要】: 随着科学技术的发展,现代光学系统、大规模集成电路及薄膜科学等领域对元件表面的要求日益提高。在上述领域中,针对工件的表面形状精度、表面粗糙度以及亚表面损伤程度,提出了超光滑表面的要求。对于光学元件,需要其表面具有很低的散射特性,以期获得更高的透射率及表面反射率;而对于电子功能元件,则要求其在具有极低表面粗糙度的同时保持完整的晶格结构。传统的超精密、超光滑表面加工方法,如机械研抛方法等由于会在工件表面引入加工变质层及亚表面损伤,已很难满足现代高新科技对超光滑表面的需求。 为满足超光滑表面的加工需求,出现了许多基于新去除原理的超光滑表面加工方法,如磁流变加工、离子束抛光、等离子体化学气化加工及弹性发射加工等。其中弹性发射加工方法利用工件材料与磨料粉末间的固化反应对工件表面进行原子级去除,避免了表层/亚表层损伤,能保持完整的表面晶格,同时获得极低的表面粗糙度。借鉴弹性发射加工的去除原理,本文提出了一种新的超光滑表面加工方法——纳米颗粒胶体射流抛光方法。纳米颗粒胶体射流抛光方法将界面化学、流体动力学理论与光学加工方法相结合,提供了一种可以实现原子级去处的加工方法。通过计算机控制,可以实现工件面形的精确抛光,同时保证纳米级粗糙度的表面加工质量、避免引入表面损伤。 本文首先分析了纳米颗粒胶体射流抛光的材料去除原理。在胶体环境中,工件表面的活性基团会与胶体中的OH-离子发生化学吸附,而入射到工件表面的纳米颗粒,由于具有很高的表面能及化学活性,在与工件表面发生碰撞作用后会激发界面反应而化学吸附在工件表面,然后在流动胶体的粘滞作用下吸附的纳米颗粒连同与其发生界面反应的工件表面原子一起被带离工件表面,从而实现材料的原子级去除。 本文利用量子化学理论,研究了胶体中单晶Si工件表面原子与OH-离子间的化学吸附过程。在此基础上,模拟了在纳米颗粒胶体射流抛光中SiO2团簇与单晶硅工件表面原子间的化学作用过程,揭示了纳米颗粒胶体射流抛光中工件表面原子的去除机理。量子化学计算结果显示,在纳米颗粒胶体射流抛光中,无论是OH-离子的化学吸附,还是入射纳米颗粒与工件表面的界面反应,都会有选择性地优先在表面高点的活性原子处进行,从而实现工件表面的逐渐平坦化,降低表面微观不平度,改善被加工件的表面形貌及粗糙度。 基于非牛顿流体的本构方程,研究了SiO2纳米颗粒胶体的流变特性,用流体动力学仿真的方法研究了微孔喷嘴非淹没射流条件下的流场分布,分析了纳米颗粒胶体射流抛光中流场分布对加工的影响规律,并进行了相关试验验证。 针对纳米颗粒胶体射流抛光的材料去除原理及特性,本文采用特殊结构的抛光液容器,设计了压强稳定可控,且能保持纳米颗粒胶体抛光液物理化学特性不变的纳米颗粒胶体射流抛光试验装置。 本文将纳米颗粒胶体射流抛光方法应用于光学K9玻璃元件的超光滑表面加工,得到表面粗糙度小于1nmRms的超光滑表面。用实验的方法考察了纳米颗粒胶体射流抛光后工件表面的机械特性,并对加工前后的工件表面进行功率谱密度表征。实验结果显示纳米颗粒胶体射流抛光在明显降低工件表面粗糙度的同时,很大程度上提高了工件的机械特性。功率谱密度表征结果显示,纳米颗粒胶体射流抛光后工件表面的波纹基本被消除,达到一个很好的表面状态。 本文还分析了纳米颗粒胶体射流抛光中的影响因素,分别讨论了流场分布、射流压强、胶体pH值、胶体浓度等对纳米颗粒胶体射流抛光的影响规律,给出了合理的工艺参数范围。


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