典型碳化硅光学材料的超光滑抛光试验研究

研究了三种典型的碳化硅光学材料CVD SiC、HP SiC以及RB SiC的材料去除机理与可抛光性,并对其进行了超光滑抛光试验.在分析各种材料制备方法与材料特性的基础上,通过选择合理的抛光工艺参数,均获得了表面粗糙度优于Rq=2nm(采样面积为0.71mm×0.53mm)的超光滑表面.试验结果表明:研磨过程中,三种碳化硅光学材料均以脆性断裂的方式去除材料,加工表面存在着裂纹以及材料脱落留下的缺陷;抛光过程中,CVD SiC主要以塑性划痕的方式去除材料,决定表面粗糙度的主要因素为表面微观划痕的深度;HP SiC同时以塑性划痕与晶粒脱落的形式去除材料,决定表面粗糙度的主要因素为碳化硅颗粒大小以及颗粒之间微孔的尺寸;RB SiC为多组分材料,决定其表面粗糙度的主要因素为RB SiC三种组分之间的去除率差异导致的高差.     

单晶SiC的电助光催化抛光及去除机理

为满足电子半导体等领域对SiC超光滑、无损伤和材料高效去除的要求,提出了电助光催化抛光SiC的新方法。研究了光催化剂种类及其pH值对抛光液氧化性和抛光效果的影响,讨论了材料的去除机理。结果表明：以p25型TiO2为光催化剂配制抛光液所获得的最大氧化还原电位为633.11 mV,材料去除率为1.18 μm/h,表面粗糙度Ra=0.218 nm;抛光后SiC表面氧化产物中,Si-C-O、Si-O和Si4C4O4的含量明显增加,SiC表面被氧化并被机械去除是主要的材料去除方式。     

纳米氧化硅在玻璃基片表面亚纳米级抛光中的应用

为满足先进电子产品对玻璃基片表面超光滑的要求,制备了一种纳米氧化硅抛光液,并研究了氧化硅粒子大小、抛光时间等参数对玻璃基片抛光后表面粗糙度、材料去除速率的影响。ZYGO形貌仪表明,采用纳米氧化硅抛光液,可以使玻璃表面粗糙度达到0.5 nm左右。AFM表明,抛光后的玻璃基片表面超光滑且无划痕等微观缺陷。     

光学材料无磨料低温抛光的试验研究

将无磨料抛光与低温抛光结合起来,首次提出一种可获得原子级超光滑表面的新方法——无磨料低温抛光。这种新工艺可使光学材料获得Ra<1nm的原子级超光滑表面,通过大量的试验,系统研究了抛光盘水质、抛光前修盘时间、抛光压力和偏心等对已加工表面粗糙度的影响规律。结果表明,这种抛光工艺能获得原子级的超光滑表面。     

单晶SiC基片的集群磁流变平面抛光加工

基于集群磁流变效应超光滑平面抛光理论及研制的试验装置,对单晶SiC基片进行了平面抛光试验研究。研究结果表明,金刚石磨料对单晶SiC基片具有较好的抛光效果;加工间隙在1.4mm以内抛光效果较好,30min抛光能使表面粗糙度值减小87%以上;随着加工时间的延长,表面粗糙度越来越小,加工30min时粗糙度减小率达到86.54%,继续延长加工时间,加工表面粗糙度趋向稳定。通过优化工艺参数对直径为50.8mm(2英寸)6H单晶SiC进行了集群磁流变平面抛光,并用原子力显微镜观察了试件加工前后的三维形貌和表面粗糙度,发现经过30min加工,表面粗糙度Ra从72.89nm减小至1.9nm,说明集群磁流变效应超光滑平面抛光用于抛光单晶SiC基片可行有效且效果显著。     

冲击角度对射流抛光中材料去除的影响

射流抛光技术能够获得原子级粗糙度和无损伤表面,已成为最具发展潜力的超光滑表面加工技术之一,而冲击角度是影响抛光效果的一个重要参数。利用自主研制的射流抛光实验机,通过定点冲击实验,研究不同冲击角度下的被加工表面材料去除形貌及去除量。实验结果表明,随着冲击角度的减小,材料去除形状愈发不对称,材料去除率逐渐降低,而最大去除深度出现非单调变化。结合冲击射流流场分布和颗粒碰撞角度的变化,分析冲击角度对材料去除特性的影响机制,发现射流冲击角度对材料去除的影响主要归因于射流中颗粒碰撞角度及颗粒碰撞次数的变化;颗粒碰撞角度越大,碰撞次数越多,则材料去除量越大;两者的综合作用影响着材料去除量及材料去除分布。     

化学气相沉积碳化硅平面反射镜的高精度超光滑加工

针对化学气相沉积碳化硅平面反射镜的材料特性与技术要求,制定了"传统研抛 离子束抛光"的工艺方法,并在一块口径为100mm的试件上进行了验证。首先基于加工效率和亚表面损伤选择合理的工艺参数,并采用磁流变抛光斑点法测量各道工序的亚表面损伤,并以此为依据规划下一道工序的材料去除量;然后分析抛光表面粗糙度的影响因素,在此基础上对抛光工艺参数进行优化,获得表面粗糙度均方根方差值为0.584nm的超光滑表面,并控制工件的面形误差;最后采用离子束抛光进行精度提升,使工件的低频和中频误差均大幅下降,最终工件的面形精度均方根方差值达到0.007λ(λ=632.8nm),表面粗糙度均方根方差值为0.659nm。     

一种光学材料高效超精密加工方法

提出了结合磁流变光整加工(MRF)与在线电解修整(ELID)磨削对各种光学材料进行超精密加工的方法,即采用ELID磨削进行预抛光以获得高质量表面,然后采用MRF进行精密抛光以进一步减小表面粗糙度和形状误差.利用该组合工艺对BK7玻璃、硅晶玻璃、碳化硅等光学材料进行了超精密加工实验,可以在短时间内使光学材料工件表面得到亚纳米级的表面粗糙度和峰谷值为λ/20(λ为单位波长,λ=632.8nm)的形状精度.     

反应烧结碳化硅表面改性的初步研究

应用电子束蒸发硅,霍尔离子源电离甲烷,并辅助沉积的方法在反应烧结碳化硅(RB SiC)基底上沉积了碳化硅(SiC:H)改性薄膜.X射线衍射(XRD)测试表明制备的碳化硅改性薄膜为α相.通过控制沉积速率,制备了硬度为9.781～13.087GPa,弹性模量为89.344～123.413GPa的碳化硅改件薄膜.比较同样条件下镀制银膜的抛光良好微晶玻璃和经过精细抛光的改性 RB SiC,结果表明两者反射率相近;附着力实验表明,制备的薄膜和基底结合良好;在温度冲击实验下,制备的薄膜无龟裂和脱落.     

基于HHT变换的微晶玻璃超光滑表面抛光工艺技术研究

为了稳定地获得高质量的微晶玻璃超光滑表面,采用一种先进的超光滑表面抛光方法——定偏心浸液式抛光方法。首先分析了微晶玻璃的性能和微观结构,得出实现其超光滑表面抛光所必须的技术条件;然后,论述了浸液式超光滑表面抛光方法的基本原理及其抛光工艺过程。采用该方法稳定地获得了亚纳米量级粗糙度的超光滑表面,粗糙度达到Ra0.3nm;最后,采用HHT方法,通过粗糙度分布曲线到Hilbert谱的数学变换,得出主要抛光工艺参数与表面粗糙度之间的相互影响关系。结果表明,HHT用于超光滑表面的检测和评价,对实际抛光过程提出有效指导,有助于获得高质量的超光滑表面。     

高体积分数SiCp/Al复合材料旋转超声铣磨加工的试验研究

由于大量高硬度增强相SiC颗粒的存在,高体积分数铝基碳化硅（SiCp/Al）复合材料的机械加工十分困难。旋转超声加工被认为是加工这种材料的有效方法。通过超声辅助划痕试验,分析高体积分数SiCp/Al复合材料旋转超声铣磨加工的材料去除机理。在超声振动的作用下,材料中铝基体发生塑性变形,其表面得到夯实;SiC增强相被锤击成细小的颗粒而发生脱落,形成较大的空洞。由于材料加工的缺陷大多产生于SiC颗粒的去除过程中,SiC颗粒的去除方式对加工表面的质量起着决定性的作用,选择合适的工艺参数可以有效提高加工表面质量。旋转超声加工工艺特征试验表明,超声振动可有效降低切削力;主轴转速对轴向切削力的影响最大,其次是进给速度,切削深度对轴向切削力的影响较小;另外主轴转速对表面质量的影响效果也最大,并随主轴转速的增大表面粗糙度增大。因此在加工过程中,可以适当加大切削深度,在保证加工质量的基础上,选择较大的进给速度,在保证刀具寿命的前提下,选择合适的主轴转速,以获得较优的加工表面质量和加工效率。     

碳化硅增强颗粒含量和尺寸对铝基复合材料超精密车削表面的影响

用聚晶金刚石刀具(PCD)研究了增强颗粒的含量、尺寸等对SiC颗粒增强铝基复合材料超精密车削表面的影响.结果表明:SiC增强颗粒的去除方式主要有拔出、破碎和切断等,SiC颗粒的含量和平均尺寸越大,其拔出和破碎现象就越多,复合材料获得的加工表面粗糙度值也越大;当SiC颗粒主要以切断方式被去除时,可望获得含有较少坑洞和裂纹等加工缺陷的超精密切削表面.     

不同磨料对硬质合金刀片化学机械抛光的影响

为了提高硬质合金刀片前刀面化学机械抛光(CMP)的材料去除率和表面质量,采用6种不同硬度磨料(金刚石、碳化硼、碳化硅、氧化铝、氧化锆、氧化硅)对硬质合金刀片CMP加工,采用表面粗糙度测量仪和超景深三维显微系统观察抛光前后刀片的表面形貌,探讨硬质合金刀具CMP材料去除机制。实验结果表明:碳化硼磨料因粒径分散性大,造成硬质合金刀片表面划痕较多;低硬度的氧化硅、氧化锆、碳化硅磨料只能去除硬质合金刀片表面局部划痕区域;接近硬质合金刀片硬度的氧化铝磨料,可获得较好的表面质量;硬度最大的金刚石磨料在CMP加工时,在硬质合金刀片表面上产生机械应力,促进化学反应,获得比其他磨料更高的材料去除率和更好的表面质量。因此,在硬质合金刀片粗加工时可以选用氧化铝磨料,精加工时选用金刚石磨料。     

添加剂对微晶玻璃化学机械抛光的影响

利用自制抛光液对微晶玻璃进行化学机械抛光,研究络合剂、氧化剂、润滑剂种类及添加量对微晶玻璃化学机械抛光材料去除速率和表面粗糙度的影响。结果表明:抛光液中加入质量分数0.2%的EDTA络合剂后,能大幅降低材料表面粗糙度;加入质量分数2%的过硫酸铵氧化剂后能得到较光滑的材料表面和较高的材料去除速率;加入质量分数为0.2%的丙三醇润滑剂后能降低材料表面粗糙度。将EDTA络合剂、过硫酸铵氧化剂丙、三醇润滑剂加入SiO_2抛光液中对微晶玻璃进行化学机械抛光,利用原子力显微镜观察抛光微晶玻璃抛光前后的表面形貌。结果表明,抛光后微晶玻璃表面极为平整,达到了0.12 nm的纳米级光滑表面,且材料去除速率达到72.8 nm/min。     

纳米CeO2抛光料对硅晶片进行化学机械抛光的研究

通过自制纳米CeO2超细粉体,并配制成抛光液对硅片进行化学机械抛光,研究了纳米CeO2抛光料对硅片的抛光效果,解释了纳米级抛光料的化学机械抛光原理.实验结果表明:由于纳米抛光料粒径小,切削深度小,故材料去除采用塑性流动方式.使用纳米CeO2抛光料最终在1μm的范围内达到了微观表面粗糙度Ra为0.124nm的超光滑表面,满足了产品的要求.     

超光滑光学表面加工技术

现代科学技术的发展,在许多领域中提出了加工超光滑表面的要求。这种表面不仅要具备较高的面形精度和极低的表面粗糙度,同时要具有完整的表面晶格排布,消除加工损伤层。近年来国际出现了不少成功的超光滑表面加工技术,可以实现表面粗糙度小于1nm,面形精度优于30nm.本文介绍了超光滑表面的主要应用领域；从去除机理的角度讨论了BFP抛光、Teflon抛光、离子束加工、PACE加工、浮法抛光、延展性磨削等六种有代表性的超光滑表面加工技术；并对国内情况作了简单分析。     

基于HHT的微晶玻璃超光滑表面抛光

针对激光陀螺反射镜常用材料微晶玻璃的加工技术,介绍了一种较为成熟的超光滑表面加工方法-定偏心浸液式抛光.分析了微晶玻璃的性能和微观结构,得出实现其超光滑表面加工所必须的技术条件.系统论述了提出的超光滑表面抛光方法的基本原理及其抛光工艺过程.通过多次工艺实验,稳定地获得了埃量级的超光滑表面.最后,采用Hilbert-Huang变换(HHT)非线性平稳信号的时域分析法,通过超光滑表面粗糙度分布曲线到Hilbert谱的一系列数学变换,得出主要抛光工艺参数与表面粗糙度之间的影响关系,对实际加工工艺过程与抛光结果进行有效反馈和指导.基于HHT的超光滑表面抛光方法可以稳定地获得Ra优于0.35 nm的微晶玻璃超光滑表面,目前最好结果为Ra=0.3 nm.     

氧化锆陶瓷平面零件超精密研磨实验的研究

针对氧化锆陶瓷平面零件的超光滑表面加工问题,将两种超精密研磨工艺应用到氧化锆零件加工中。研究了研磨液和磨料粒径对零件表面粗糙度的影响,分析了不同加工阶段的材料去除机理,同时发现工件表面孔隙的致密性会降低氧化锆零件的可加工性能,并采用了致密性更好的氧化锆材料在使用相同工艺情况下进行了实验对比。研究结果表明,采用金刚石油膏研磨加工得到了表面粗糙度为12．9nm的超光滑表面,在“采用Al2O3研磨液,并使用SiO：作为抛光工序”的条件下,得到了表面粗糙度为6．55nm的超光滑表面,并且在选用致密性更好材料进行加工后,得到了表面粗糙度为4．72nm的超光滑表面。     

热压硫化锌的超精密磨削加工

针对用传统车削或研磨抛光方法加工大尺寸非球面热压硫化锌透镜存在的不足,采用金刚石砂轮磨削加工方法对热压硫化锌材料进行了加工实验。通过压痕、单颗粒金刚石刻划和磨削正交实验,研究了该方法在磨削加工过程中的塑性域去除机理及其亚表面损伤情况,并优化了超精密磨削加工工艺参数。压痕实验发现热压硫化锌材料在载荷作用下易于出现径向裂纹和微裂纹,其断裂韧性为2.643842MPa/m1/2,临界切削深度为1.808μm。单颗粒金刚石刻划实验结果表明,热压硫化锌材料在较小的切削深度下可以实现塑性域去除,但在机械去除过程中易出现多种形式的亚表层损伤。磨削实验结果表明,磨削深度是影响表面光洁度的主要因素,随着磨削深度的增大表面光洁度降低,最佳表面粗糙度为7.6nm。工作台进给速度是影响面形精度的主要因素,且平面磨削的面形精度PV值为0.185~0.395μm。研究结果表明,磨削加工热压硫化锌材料可以获得纳米级表面粗糙度。     

GaN 用衬底材料 LiGaO2 晶体超精密抛光的初步实验

主要介绍了作为发光半导体GaN衬底材料的LiGaO₂单晶超精密抛光方法及初步结果。利用聚氨酯抛光盘配合SiO₂悬浮液,采用机械化学抛光方法,已加工出表面粗糙度优于0.1mm,的超光滑表面。