一種抗潮解磁流變拋光液配制與性能研究

一種抗潮解磁流變拋光液配制與性能研究

1易潮解材料的磁流變拋光隨著科學技術(shù)的發(fā)展，光學功能晶體材料已被廣泛使用，尤其是kdp晶體（potassinubilidinationpholat，kh2ko4）。這種材料具有較高的非線性和激光損傷閾值等優(yōu)良性能,是“慣性約束核聚變”(ICF)固體激光驅(qū)動器、強激光武器中不可替代的關(guān)鍵的光學倍頻轉(zhuǎn)換器和光電開關(guān)器件用材料。但是由于它是軟脆材料,且非常容易潮解、霧化,所以KDP晶體成為公認的最難加工的一種晶體材料。目前常用的KDP晶體加工方法是單點金剛石切削。但是單點金剛石切削加工技術(shù)的缺陷是刀具切削光學零件時,會產(chǎn)生小尺度波紋度,加工后零件表面可清晰地看見切削的周期性波紋。這種小尺度波紋會惡化系統(tǒng)輸出的光束質(zhì)量,嚴重時甚至會導致激光破壞,因此需要消除這種誤差。磁流變拋光是新型的加工方法,它利用磁流變液在磁場的作用下發(fā)生明顯的磁流變效應來對工件實施精確的去除。磁流變拋光效率高,精度高,適用于多種材料的拋光,可實現(xiàn)對KDP晶體單點金剛石切削KDP晶體后留下的小尺度波紋,但目前常用的磁流變拋光液為水基磁流變液,不適合這種易潮解、易霧化材料的拋光,而且其它一些非水基磁流變拋光液零磁場粘度大,不利于在拋光系統(tǒng)中循環(huán)。所以欲實現(xiàn)對易潮解材料的磁流變拋光,最關(guān)鍵的就是配制一種具有零磁場粘度低、流變性好、沉降穩(wěn)定性和凝聚穩(wěn)定性好的非水基磁流變拋光液,而且不使材料產(chǎn)生霧化。本文闡述了這種抗潮解磁流變拋光液的配制與性能測試。2磁流變拋光液的特點磁流變拋光液的成分是基載液、磁敏微粒、表面活性劑以及拋光粉。所配制的磁流變拋光液要求無毒無害,不易燃、不揮發(fā)、零磁場粘度低,具有較好的流變性、凝聚穩(wěn)定性和沉降穩(wěn)定性等特點。同時針對易潮解的特點,要求所配制的磁流變拋光液不溶解工件材料也不霧化材料表面。2.1實驗結(jié)果及分析KDP晶體產(chǎn)生霧化的原因是外界與KDP晶體發(fā)生反應。在KDP磁流變拋光過程中,磁流變液一直與KDP晶體接觸,所以基載液的選擇對磁流變拋光液的配制尤為重要。由于KDP晶體含有-P-O-H結(jié)構(gòu),在化學特性上和磷酸(H3PO4)一致。所以為了選擇合適的基載液,我們首先將基載液與磷酸混合,看所選擇的基載液是否與磷酸有反應。如果發(fā)生了反應說明該基載液拋光KDP可能會產(chǎn)生“霧化”現(xiàn)象。因此我們將磷酸分別與待選的基載液普通硅油、低粘度硅油、混合二元酸酯(DBE)混合。通過觀察,2天以后DBE與磷酸完全溶解;而高粘度硅油和低粘度硅油與磷酸未溶解也未發(fā)生化學反應。所以通過此實驗,混合二元酸酯不適合作為抗潮解磁流變液的基載液。為進一步了解所選擇的基載液拋光KDP晶體所能取得的拋光表面質(zhì)量(如粗糙度,“霧化”現(xiàn)象等),我們分別以上面兩種所要選擇的基載液硅油和無水乙醇為拋光基液,以粒徑0.5μm的氧化柿為拋光粉,以一定的比例配制成拋光液在環(huán)拋機上進行拋光實驗。并與無水乙醇和DBE進行比較,表1為這次實驗現(xiàn)象。通過上面實驗對比,我們初步選擇低粘度的硅油作為磁流變拋光液的基載液。2.2磁流變拋光液剪切屈服應力的影響因素由于磁流變拋光液的流變效應來源于磁化后的磁敏微粒形成的磁偶極子的相互作用,因此磁敏微粒的物理性能是影響磁流變拋光液剪切屈服應力的主要因素之一。雖然建立在不同假設(shè)基礎(chǔ)之上所得到的磁流變拋光液理論剪切屈服應力在表達式的形式上略有差異,但所有的研究均表明,磁敏微粒的直徑大小、飽和磁化強度、體積含量以及外加磁場的大小決定磁流變拋光液剪切屈服應力的主要因素。從上面磁敏微粒對磁流變拋光液性能影響因素出發(fā),選擇由五羰基鐵熱分解制取的超微粉末羰基鐵粉作為磁流變拋光液的磁敏微粒。它具有純度高、微粒細、超導率高、矯頑力小、磁滯損失少、飽和磁感高的特點,而且其磁化性能受溫度影響較小。羰基鐵粉的外形形狀呈洋蔥球?qū)訝瞠毺亟Y(jié)構(gòu),在拋光時不會對光學零件表面造成損害,其良好的磁化性能和機械性能比較適合磁流變拋光液的要求。我們采用羰基鐵粉的商業(yè)產(chǎn)品,其主要性能見表2。2.3實驗現(xiàn)象的制備表面活性物質(zhì)分子一般由非極性親油部分和極性親水部分組成,且兩部分分別處于分子兩端,形成不對稱結(jié)構(gòu)。當表面活性物質(zhì)與鐵粉物質(zhì)充分接觸時,極性親水基團極易與鐵磁物質(zhì)表面通過氫鍵形成弱化學作用,表面活性劑的另一端親油部分很均勻分散到有機相中。我們將5%表面活性劑(體積比)加入基載液中,在適當?shù)臏囟认聰嚢柚敝疗渫耆芙?。然后將定量的羰基鐵粉加入混合溶液中,球磨半小時后加入拋光粉(氧化鈰),再球磨半小時,配制出磁流變拋光液,同時在未加表面活性劑情況下又配制了相同羰基鐵分比例的磁流變拋光液,并將實驗現(xiàn)象進行對比分析,實驗現(xiàn)象如表3。通過實驗現(xiàn)象對比,加入表面活性劑后的磁流變拋光液長時間無凝聚,沉降少,性能較好,能滿足我們的要求。3磁流變拋光液的穩(wěn)定性一般磁流變拋光液的性能主要是它的流變性和穩(wěn)定性和零磁場粘度。流變性即磁流變拋光液在外加磁場下由液體變成固體,撤掉磁場時,又由固體變?yōu)橐后w的性能。當磁流變拋光液變成固體時,剪應力體現(xiàn)了它的拋光去除效率。磁流變拋光液的穩(wěn)定性一般包括凝聚穩(wěn)定性、沉降穩(wěn)定性、溫度穩(wěn)定性。由于我們選用的基載液和磁敏微粒都具有較好的溫度穩(wěn)定性,所以我們只對凝聚穩(wěn)定性和沉降穩(wěn)定性進行了測試。3.1流變量3.1.1磁流變液流變性的變化在沒有外磁場作用時,磁流變拋光液可認為是Newton流體,其剪切應力τ和剪切應變率γ&的關(guān)系滿足下式:式中η磁流變拋光液的零磁場粘度,可以通過載液的初始粘度和懸浮微粒的體積百分比濃度計算得到。當外加磁場時,磁流變液的流變性一般用Bingham本構(gòu)方程表示:式中τ0為磁流變液的靜態(tài)屈服應力。圖1是磁流變液流變性的測試系統(tǒng)原理圖。該系統(tǒng)運用粘度計的測試原理,將磁流變液置于兩平行放置的可相對平動的磁極板之間,通過測量剪切應力與應變關(guān)系確定磁流變液的穩(wěn)態(tài)或動態(tài)響應與磁場的關(guān)系。對上面的結(jié)構(gòu)進行改進,設(shè)計出的流變性能測試系統(tǒng)如圖2。在該系統(tǒng)中,上下間距d,極半徑為r,R1,R2分別為磁流變拋光液槽的內(nèi)、外半徑。剪切應變率與轉(zhuǎn)速ω的關(guān)系為:剪應力與轉(zhuǎn)速的關(guān)系為:其中:式中在實際測量中可忽略,因此通過測量扭矩M和轉(zhuǎn)速ω,即可獲得剪切應力τ和應變率γ&的關(guān)系。3.1.2《光粉磁流變液》我們配了三次磁流變拋光液,第一次的各成分體積比為5:4:0.5:0.5(低粘度硅油:羰基鐵粉:表面活性劑:拋光粉),記為磁流變液A,第二次各成份體積比為6:3:0.5:0.5,記為磁流變液B,第三次為7:2:0.5:0.5,記為磁流變液C。對這三種磁流液分別取3ml,在流變性能測試系統(tǒng)上測試,磁場強度分別設(shè)定為270mT和330mT,測試結(jié)果如圖3~圖5。我們在相同磁場強度下對三次磁流變拋光液流變性進行比較,比較結(jié)果如圖6和圖7:3.2沉降性和凝聚穩(wěn)定性測定羰基鐵粉含量不同,對于流變性影響很大,對于沉降性和凝聚性也有一定的影響。所以我們對上述配制的不同成分比的磁流變拋光液進行沉降性和凝聚穩(wěn)定性比較,如表4。雖然磁流變拋光液有一定的沉降量,但是在拋光過程中,磁流變拋光液一直處于被攪拌狀態(tài),所以只要鐵粉不會凝聚成團,就可滿足拋光要求。此外,我們發(fā)現(xiàn)不同體積含量的表面活性劑,對零磁場粘度也有一定的影響。隨著表面活性劑的增加,磁流變拋光液零磁場粘度升高,同時沉降穩(wěn)定性越好,但當增加到一定值后,沉降穩(wěn)定性將不再變化。4磁流變拋光液的制備我們將配制的含羰基鐵粉30%的磁流變拋光液對KDP晶體進行拋光。圖8該磁流變拋光液在磁場下形成的緞帶。圖9為拋光效果,該磁流變液已初步滿足我們的