納米顆粒膠體射流拋光機(jī)理及試驗(yàn)研究.pdf

1、隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)、大規(guī)模集成電路及薄膜科學(xué)等領(lǐng)域?qū)υ砻娴囊笕找嫣岣?。在上述領(lǐng)域中，針對(duì)工件的表面形狀精度、表面粗糙度以及亞表面損傷程度，提出了超光滑表面的要求。對(duì)于光學(xué)元件，需要其表面具有很低的散射特性，以期獲得更高的透射率及表面反射率；而對(duì)于電子功能元件，則要求其在具有極低表面粗糙度的同時(shí)保持完整的晶格結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的超精密、超光滑表面加工方法，如機(jī)械研拋方法等由于會(huì)在工件表面引入加工變質(zhì)層及亞表面損傷，已很難滿足現(xiàn)

2、代高新科技對(duì)超光滑表面的需求。
　　為滿足超光滑表面的加工需求，出現(xiàn)了許多基于新去除原理的超光滑表面加工方法，如磁流變加工、離子束拋光、等離子體化學(xué)氣化加工及彈性發(fā)射加工等。其中彈性發(fā)射加工方法利用工件材料與磨料粉末間的固化反應(yīng)對(duì)工件表面進(jìn)行原子級(jí)去除，避免了表層/亞表層損傷，能保持完整的表面晶格，同時(shí)獲得極低的表面粗糙度。借鑒彈性發(fā)射加工的去除原理，本文提出了一種新的超光滑表面加工方法——納米顆粒膠體射流拋光方法。納米顆粒膠體射

3、流拋光方法將界面化學(xué)、流體動(dòng)力學(xué)理論與光學(xué)加工方法相結(jié)合，提供了一種可以實(shí)現(xiàn)原子級(jí)去處的加工方法。通過計(jì)算機(jī)控制，可以實(shí)現(xiàn)工件面形的精確拋光，同時(shí)保證納米級(jí)粗糙度的表面加工質(zhì)量、避免引入表面損傷。
　　本文首先分析了納米顆粒膠體射流拋光的材料去除原理。在膠體環(huán)境中，工件表面的活性基團(tuán)會(huì)與膠體中的OH-離子發(fā)生化學(xué)吸附，而入射到工件表面的納米顆粒，由于具有很高的表面能及化學(xué)活性，在與工件表面發(fā)生碰撞作用后會(huì)激發(fā)界面反應(yīng)而化學(xué)吸附在工

4、件表面，然后在流動(dòng)膠體的粘滯作用下吸附的納米顆粒連同與其發(fā)生界面反應(yīng)的工件表面原子一起被帶離工件表面，從而實(shí)現(xiàn)材料的原子級(jí)去除。
　　本文利用量子化學(xué)理論，研究了膠體中單晶 Si工件表面原子與OH-離子間的化學(xué)吸附過程。在此基礎(chǔ)上，模擬了在納米顆粒膠體射流拋光中SiO2團(tuán)簇與單晶硅工件表面原子間的化學(xué)作用過程，揭示了納米顆粒膠體射流拋光中工件表面原子的去除機(jī)理。量子化學(xué)計(jì)算結(jié)果顯示，在納米顆粒膠體射流拋光中，無論是 OH-離子的化

5、學(xué)吸附，還是入射納米顆粒與工件表面的界面反應(yīng)，都會(huì)有選擇性地優(yōu)先在表面高點(diǎn)的活性原子處進(jìn)行，從而實(shí)現(xiàn)工件表面的逐漸平坦化，降低表面微觀不平度，改善被加工件的表面形貌及粗糙度。
　　基于非牛頓流體的本構(gòu)方程，研究了 SiO2納米顆粒膠體的流變特性，用流體動(dòng)力學(xué)仿真的方法研究了微孔噴嘴非淹沒射流條件下的流場(chǎng)分布，分析了納米顆粒膠體射流拋光中流場(chǎng)分布對(duì)加工的影響規(guī)律，并進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證。
　　針對(duì)納米顆粒膠體射流拋光的材料去除原

6、理及特性，本文采用特殊結(jié)構(gòu)的拋光液容器，設(shè)計(jì)了壓強(qiáng)穩(wěn)定可控，且能保持納米顆粒膠體拋光液物理化學(xué)特性不變的納米顆粒膠體射流拋光試驗(yàn)裝置。
　　本文將納米顆粒膠體射流拋光方法應(yīng)用于光學(xué) 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。用實(shí)驗(yàn)的方法考察了納米顆粒膠體射流拋光后工件表面的機(jī)械特性，并對(duì)加工前后的工件表面進(jìn)行功率譜密度表征。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示納米顆粒膠體射流拋光在明顯降低工件表面粗糙度的同時(shí)，很大程度上提