光學(xué)材料的淺低溫拋光方法

光學(xué)材料的淺低溫拋光方法1統(tǒng)工藝方法已經(jīng)很難應(yīng)付了。對(duì)硬脆材料實(shí)行超周密加工并不斷的提前言現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)所使用的硬脆材料，如單品硅、功能材料、陶瓷、寶石和部是很難的。近代剛剛趨于成熟的金剛石切削技術(shù)對(duì)此也無(wú)能為力。藝方法上又參加的工藝手段，由于科學(xué)的進(jìn)展對(duì)加工精度和外表質(zhì)量的要求愈來(lái)愈高，傳統(tǒng)工藝方法已經(jīng)很難應(yīng)付了。對(duì)硬脆材料實(shí)行超周密加工并不斷的提高加工精度，提高加工效率，是我們?cè)O(shè)法回避的問題，為此人們把不同的物理過程、不同的化學(xué)過程應(yīng)用于加工工藝中，如離子束加工是一種格外好的加工方法，離子束拋光可到達(dá)很高的水平，但這項(xiàng)技術(shù)的開展工作需要很多的資金投入和做深入的爭(zhēng)論工作。本文從另外角度考慮問題，從轉(zhuǎn)變加工環(huán)境溫度考慮問題。在金剛石超周密加工技術(shù)的進(jìn)展過程中，就有人爭(zhēng)論過金剛石低5，消滅了一些現(xiàn)象，例如在低溫條件下，金剛石可切削黑色金屬并獲得很好的外表質(zhì)量。那么，在低溫狀態(tài)下，對(duì)光學(xué)材料進(jìn)展拋光，又會(huì)產(chǎn)生哪些現(xiàn)象，是否能提高加工精度和加工效率，我們通過試驗(yàn)作了肯定程度的探討，下面簡(jiǎn)述之。低溫拋光的概念溫度是一個(gè)物理量，世界上的各種物質(zhì)在其所在的環(huán)境中都表現(xiàn)出具有肯定溫度，溫度的凹凸和物理熱有關(guān)，熱的本質(zhì)是物質(zhì)中的原子不斷振動(dòng)的一種表現(xiàn)，溫度高表示其組成原子很混亂，低溫狀態(tài)下原子可以秩序井然。高溫可以到達(dá)很高的程度，原子的混亂不斷加大，物質(zhì)由固體變成液體，再由液體0K一般在300K左右，0℃是273K。低溫是指0℃以下，即273K以下的溫度范圍。自然界有低溫物質(zhì)和低溫環(huán)境，在試驗(yàn)室獲得低溫要人工制冷，對(duì)我們搞低溫拋光來(lái)說，就是使被加工的光學(xué)材料和加工空間到達(dá)并保持所需的低溫。各種物質(zhì)在低溫環(huán)境中，隨冷凍深度的不同，物質(zhì)表現(xiàn)了不同的特性，在低溫應(yīng)用工程的爭(zhēng)論中，有人把環(huán)境溫度低到123K(一150℃)稱為普冷區(qū)，把123K到273．30～50℃的環(huán)境中進(jìn)展的，光學(xué)材料在低溫狀態(tài)下的加工特性是我們要爭(zhēng)論的，在低溫狀態(tài)下進(jìn)展光學(xué)拋光，要解決低溫狀態(tài)下的拋光模、工件和工藝過程的低溫環(huán)境等問題，由于冷凍深度較淺，所以我們叫這種拋光方法為淺低溫拋光。拋光模和拋光波拋光模層加工中承受低溫技術(shù)，最困難的事可能莫過于低溫磨削液了，由于找到一種在0℃5℃，非5℃時(shí)流淌性就很差了。我們始終在努力查找一種能避開這種困擾的方法，日本學(xué)者橫川和彥在爭(zhēng)論磨削技術(shù)的過程中，從改善加工環(huán)境的目的動(dòng)身，提出了向加工區(qū)噴射冷空氣的想法，大森整做了冰凍砂輪試驗(yàn)，這些都很有制造性對(duì)我們很有啟發(fā)。在光學(xué)冷加工中。中都離不開水，所以還是要在水上想方法。瀝青，還有錫、絨布和聚氨脂等，教以瀝青的拋光盤可以做出一個(gè)準(zhǔn)確的外部幾何外形，例如平面、凹球面和凸球面，然后在其外表上雕刻出縱橫溝槽，形成很多個(gè)小方塊，溝槽可以容納磨料和拋光液，很多個(gè)小方塊和工件相接觸并相對(duì)作滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)，在磨料的作用下，形成對(duì)工件的切削運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生我們所要求的拋光效果。假設(shè)在低溫下拋光，必需制造低溫環(huán)境條件，包括把瀝青盤或錫盤冷卻到所要求的低溫，然后進(jìn)展低溫下拋光，但低溫下的瀝青和錫會(huì)有那些特點(diǎn)，是需要我們解決的問題，我們沒有這樣作。模層，這樣我們可以得到一個(gè)同樣外形準(zhǔn)確的拋光模層，例如一個(gè)平面的拋光模層。即和鑄鐵盤瀝青模層完全一樣的拋光模，它本身含有磨料類似固著磨料磨盤，當(dāng)冰模層和工件相接觸并做相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，就產(chǎn)生切削運(yùn)動(dòng)，就產(chǎn)生拋光效果。同時(shí)，可依據(jù)加工材料的不同調(diào)整冷凍深度來(lái)調(diào)整冰模層的硬度。拋光波Al2O3CeO2、Gr2O3和SiO2(nm)級(jí)磨料，依據(jù)被拋光材料的不同，對(duì)外表質(zhì)量要求的不同，適當(dāng)?shù)剡x用不同種類、不同粒度的磨料。液可能呈弱堿性或弱酸性，pH腐蝕工件。懸浮液中要求磨料具有良好的分散性，不能結(jié)團(tuán)，所以要在懸浮液中參加分散劑。磨料粒度的均勻全都是比較難到達(dá)的，主要是限制大顆粒，防止外表被劃傷。時(shí)間過程應(yīng)盡量縮短，以防冷凍過程中磨料的沉積所造成冷凍后的冰拋光模層μmStokesμ為分散介質(zhì)粘度，δ，δ””””分別為顆粒和分散介質(zhì)密度。當(dāng)顆粒很小時(shí)，沉降速度很慢，例如顆粒半徑為1μm在不同的分散介生沉積現(xiàn)象。(nm)級(jí)磨料，理論上都屬于膠體顆粒，實(shí)際上總是懸浮在液體介質(zhì)中，沒有沉積作用。所以，我們可以制成顆粒均勻、分散性良好的低溫固體拋光模層。近年來(lái)進(jìn)展的溶膠——凝膠(Sol——Gel)技術(shù)給我們供給了所需SiO2低溫拋光試驗(yàn)試驗(yàn)是在常溫試驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)展的，拋光盤冰模層溫度在-30～-50℃之間，CO220℃左右，假設(shè)加工區(qū)不做溫度掌握，就在常溫下亦可進(jìn)展低溫拋光試驗(yàn)，只是拋光的冰模層消耗的很快。Zerodtur、K9屬基鍍鎳層等。單晶硅片預(yù)加工后，被拋光的硅片的外表粗糙度Ra10nmRa＝14.87nm如圖1所示，然后進(jìn)展低溫拋光，主軸轉(zhuǎn)速250一300rpm，拋光約為Ra=3.03nm，Ra=2.98nm，Ra=1.29nm，如2微晶玻璃，Zerodur，K9ZerodurK9BK7，是一種常用的光學(xué)玻璃，國(guó)產(chǎn)的微晶玻璃近年來(lái)也得到了廣泛應(yīng)用，這些都是有代表性的常用的光學(xué)玻璃。低溫拋光試驗(yàn)說明，對(duì)這些根本光學(xué)材抖，低溫拋光的效果都很好，外表粗糙度RanmA330mmλ/20。金屬基鍍鎳層金屬鏡常選用質(zhì)地輕的金屬，外表鍍銀拋光后作反射鏡用，鎳層拋光是光學(xué)的常見工藝，我們做了低溫拋光試驗(yàn)。工件毛坯預(yù)處理后，Ra=2.11nm，然后做低溫拋光，我們分別在t＝40、100、150、210、390、500和560分鐘時(shí)對(duì)Ra＝1.73、1.34、1.12、0.88、0.73、0.68Ra4測(cè)量值。(本試驗(yàn)因當(dāng)時(shí)測(cè)試儀器故障沒連續(xù)作)比照試驗(yàn)為了評(píng)價(jià)低溫拋光的優(yōu)劣，我們做了同一工件材料、用同樣粒度磨料，目前常用的瀝青盤拋光和低溫拋光的比照試驗(yàn)。單晶硅片：毛坯的粗糙度Ra=12.04nm主軸轉(zhuǎn)速60rpm經(jīng)過16小時(shí)拋光后工件外表到達(dá)Ra=3.16nm，如圖5度水平。金屬基鍍鎳層：試驗(yàn)說明瀝青盤常規(guī)工藝的去除率高于低溫拋光的去除率，粗糙度亦能到達(dá)同樣量級(jí)。光效果，拋光效率也比較高的試驗(yàn)結(jié)果，我們認(rèn)為：速是受到限制的，否則磨料外溢，反而效果不好。時(shí)，未熔化的冰中所含的磨粒還有固著磨料的切削作用，直到磨粒脫落。所效果和去除率都比較好。30～50℃。拋光過程中，拋光模盤、工件都在我們?nèi)藶橹圃炷莻€(gè)小低溫空間內(nèi)，但工件和冰鎮(zhèn)層的接觸面上，由于生熱而形成的某種高溫，復(fù)原了拋光波的液體狀態(tài)，拋光液對(duì)工件的水解作用照常進(jìn)展，水解作用有利于材料的去除，所以和常規(guī)拋光一樣，低溫拋光同樣是機(jī)械化學(xué)拋光。材料去除率測(cè)定事，由于光學(xué)拋光在一段工藝過程之后，外表去除量甚小，這勢(shì)必要求測(cè)試儀器具有格外高的區(qū)分率和很嚴(yán)格的測(cè)量重復(fù)性，這對(duì)承受常規(guī)方法無(wú)疑是格外困難的。難波在他們的拋光試驗(yàn)中承受了努氏(Knoop)硬度計(jì)來(lái)測(cè)量去除率，HaderWeisμm)量級(jí)的平滑的溝槽的方14，即在每次拋光后，用輪廓儀去測(cè)量溝槽深度的變化進(jìn)而計(jì)算出材料被拋光的去除率。我們依據(jù)我們的條件，低溫拋光材料去除率的測(cè)定是在MVK—E型顯微硬度計(jì)上進(jìn)展的。(Hv)其測(cè)頭為金字塔式136℃，當(dāng)以不同負(fù)荷壓材料時(shí)，被測(cè)材料外表形成一個(gè)有肯定深度的四方棱錐形的孔。所以，我們?cè)趻伖獾臉蛹舷葔荷纤姆嚼忮F形孔的壓痕，每次拋光后，測(cè)量錐孔對(duì)角線長(zhǎng)度的變化，就可求得錐孔深度的變化，最終換算出拋光材料的去除率。設(shè)對(duì)角線長(zhǎng)度為di，四方形錐孔的邊長(zhǎng)為ai，則每次拋光后的錐孔高度為所以，測(cè)量每次拋光操作后的di就可相應(yīng)計(jì)算出hi，就可求出其變化，如圖6所示，最終計(jì)算出材料的去除率。di，共十個(gè)點(diǎn)作統(tǒng)計(jì)平均值。1.顯微硬度計(jì)的壓痕是很淺的，但材料的變形使壓痕后在邊緣處有隆起消滅，所以，在第一次開頭計(jì)量前，必需把隆起去掉。2.MVK—E顯微鏡400×，位移刻度格值為1μm，di1μm，以削減視值誤差，同時(shí)，還壓出不同深度的壓痕作校準(zhǔn)之11.52nm/min14.54×10-3mm3／min。一組金屬基鍍銀層工件低溫拋光測(cè)得材料的去除高度0.2nm/min的常規(guī)瀝青模層拋光試驗(yàn)，結(jié)果是瀝青模盤拋光金屬基鍍鎳層的去除高度、去除率都比冰模層低溫拋光高。另一方面，瀝青盤拋光微晶玻璃的去除高度、去除率都不及低溫拋光。這一結(jié)果是很好玩的。都很低，因而能拋出超光滑外表。光學(xué)材料拋光的去除串，在轉(zhuǎn)速、擺角及壓力本變的狀況下，仍是一個(gè)變數(shù)而不是常數(shù)，例如，當(dāng)由一種磨料更換為另一種磨料時(shí)，或磨料由粗變細(xì)時(shí)，剛開頭時(shí)測(cè)得的去除率和以后測(cè)得的去除率不一樣。結(jié)論在常規(guī)光學(xué)工藝中加上溫度效應(yīng)，利用拋光波加水冷凍結(jié)冰，形成“固從對(duì)幾種常用的光學(xué)材料的拋光效果來(lái)