超光滑表面加工方法

超光滑表面的一个最直接的评价参数就是表面粗糙度,它要求Ra≤1 nm.在这样高的要求下,传统抛光由于磨料的存在限制了表面粗糙度进一步减小,传统的机械加工已经满足不了要求.文中着重阐述了现有的超光滑表面的加工方法,对于各种方法都做了原理性的介绍及评价.     

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。     

流体二维振动超光滑表面加工技术

针对超光滑表面的需求,提出了一种基于流体二维振动的超光滑表面加工方法。该方法用流体代替传统的抛光盘,并附加二维振动作为抛光作用力对工件进行抛光,工件在流体中的缓慢复杂平面运动与流体的相对振动产生“冲击研磨”效应,通过实验证明了该方法的有效性。     

蓝宝石基片的超光滑表面抛光技术

文中介绍了蓝宝石基片的主要抛光方法,包括浮法抛光、机械化学抛光、化学机械抛光和水合抛光等,对它们的工作原理、特点作了分析和总结。     

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。     

亚纳米量级光滑表面的超精密抛光

软Ｘ射线光学的发展，对光学元件表面提出超光滑要求，为此我们开展了使用锡磨盘的超精密抛光方法研究。本文介绍锡磨盘磨削的实验装置及主要结果。利用这种方法已加工出表面粗糙度优于０．３ｎｍ的超光滑表面     

大气等离子体抛光技术在超光滑硅表面加工中的应用

发展了大气等离子体抛光方法,并用于超光滑表面加工。该技术基于低温等离子体化学反应来实现原子级的材料去除,避免了表层和亚表层损伤。运用原子发射光谱法证明了活性反应原子的有效激发,进而揭示了特定激发态原子对应的电子跃迁轨道。在针对单晶硅片的加工实验中,应用有限元分析法在理论上对加工过程中的空间气体流场分布和样品表面温度分布进行了定性分析。后续的温度检测实验证实了样品表面温度梯度的形成,并表明样品表面最高温度仅为90℃。材料去除轮廓检测结果符合空间流场的理论分布模型,加工速率约为32mm³/min。利用原子力显微镜对表面粗糙度进行测量,证实了加工后样品表面在一定范围内表面粗糙度Ra=0.6nm。最后,利用X射线光电子谱法研究了该方法对加工后表面材料化学成分的影响。实验和检测结果均表明,该抛光方法可以进行常压条件下的超光滑表面无损抛光加工,实现了高质量光学表面的无损抛光加工。     

超光滑表面粗糙度检测系统的研究

超精加工技术的不断发展,对光滑表面粗糙度检测精度要求越来越高.采用显微相移干涉技术,设计软件算法实现超光滑表面任意横向或纵向截面线粗糙度以及面粗糙度在线检测与三维动态显示,初步实验表明,该系统测量精度达纳米量级,满足超光滑表面粗糙度检测性能要求.     

超光滑表面的加工、表征和功能

超精密加工的目标是通过表面质量控制获得预定的表面功能。一定的加工过程产生相应的表面特征 ,而表面特征在很大程度上又决定着表面的实际功能。为了通过预先设计及加工控制获得要求的功能表面 ,必须对超光滑表面的加工、表征、功能及其相互关系进行全面而深入的研究     

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.     

Ultra-flat and ultra-smooth Cu surfaces produced by abrasive-free chemical–mechanical planarization/polishing using vacuum ultraviolet light

The new bonding technologies utilizing intermolecular bonding forces have been developed and attracting attention recently. Cu is known to be a suitable material for the bonding substrate due to its excellent physical properties. And an ultra flatness and an ultra smoothness over a relatively large area are strongly required for the Cu substrate surface.Chemical–mechanical planarization/polishing (CMP) with abrasives is widely adopted for planarizing and smoothing Cu surfaces. But this method has serious problems resulting from abrasives in CMP slurry. Hence, we have developed an abrasive-free polishing (AFP) method that utilizes vacuum ultraviolet (VUV) light in the previous study and an ultra-smooth Cu surface was achieved. However, the problems about a low removal rate and a small finished area remained.To overcome the problem, a new manufacturing process, namely, the process of combining CMP with abrasives and the AFP method was newly developed. First, an ultra-flat surface is achieved using CMP with abrasives. Next, the AFP method is applied for the final polishing step in order to achieve an ultra-smooth surface. As a result, utilizing VUV in situ irradiation and electrolyzed reduced water in the AFP process, the ultra-flat and the ultra-smooth surface produced has a roughness average of <1 nm with a peak value of <10 nm over a relatively large area of 700 μm × 500 μm.     

Research progress in tribo-electrochemistry and tribo-electrochemical polishing

In this paper, the status quo and recent progress in the research on tribo-electrochemistry in aqueous and non-aqueous media, respectively, are reviewed. Much more attention has been paid to the tribo-electrochemical mechanisms for the control of friction and wear. Based on a summary of the conventional polishing principles of hard and brittle materials, the tribo-electrochemical polishing method is proposed. The results of the preliminary test show that tribo-electrochemical polishing is promising to become a critical technology in the high efficient polishing and planarization of microelectronic materials. __________ Translated from Tribology, 2006, 26(1): 159–162 [译自 摩擦学学报]     

Ф124mm口径碳化硅质非球面镜面数控研抛技术研究

介绍了碳化硅质光学镜面的光学加工流程和加工手段，分析了碳化硅光学镜面的光学加工过程各个步骤中所应用的磨料和加工方法。利用自主研制的非球面数控加工中心，探索一种新型轮式研磨抛光技术，解决了中小口径非球面元件的数控加工问题，形成比较规范的中小口径碳化硅非球面元件加工方法，并应用到Ф124mm口径两面均为非球面的碳化硅元件的加工中，工件最终加工精度为第一面：0．761λ（PV）、0．059λ（RMS）（λ=0．6328μm）；第二面：0．834λ（PV）、0．089λ（RMS）（λ=0．6328μm），满足了设计要求。     

喷嘴型腔对光耦合胶体射流抛光能力的影响

为了实现对工件表面的超精密抛光,建立了紫外光诱导纳米颗粒胶体射流加工系统。对不同型腔结构的两种喷嘴的光耦合纳米颗粒胶体射流抛光的流体动力学特性、抛光工艺、超光滑表面形貌特性进行了研究。首先,根据光-液耦合要求设计了锥柱和余弦光液耦合喷嘴。接着,对所设计的两种光液耦合喷嘴进行了非淹没射流三相流仿真,对比分析了纳米颗粒的流动径迹及流场分布情况。然后,用TiO₂纳米颗粒胶体作为抛光液,用两种喷嘴对同一单晶硅工件分别进行了光耦合射流抛光试验。最后,对抛光前后的表面进行了表征及对比分析。结果表明：相同条件下余弦喷嘴获得的流动速度(20.73m/s)和动压力(2.5MPa)均高于锥柱喷嘴的流动速度(7.12m/s)和动压力(0.2MPa),纳米颗粒在余弦喷嘴内的平均停留时间(0.005s)比锥柱喷嘴的平均停留时间(0.023s)更短。相同参数下余弦喷嘴射流抛光后的工件表面粗糙度(Rq=0.810nm,Ra=0.651nm)更低。光耦合纳米颗粒胶体射流抛光中利用余弦喷嘴可获得比锥柱喷嘴更低的表面粗糙度。     

Damage-free tribochemical polishing of diamond at room temperature: a finishing technology

Polished surfaces are characterized by a geometric shape and a surface finish, the latter being defined by surface roughness (smoothness) and subsurface damage. In general, mechanically polished surfaces have a high geometric precision and are optically smooth, but they are subjected to surface and subsurface damage. Tribochemical polishing gives smooth surfaces and damage-free subsurfaces, but the surface geometric precision is often poor at the submicron level. Diamond is the hardest material known, and the standard polishing technique for such hard materials is mechanical polishing, causing surface and subsurface damage. In this paper a novel method of tribochemical polishing of natural and synthetic monocrystalline diamond at room temperature is described, which gives very smooth surfaces of, at least, (100) planes, free from surface and subsurface damage within the instrumental detection limits. Such diamond surfaces are van der Waals bondable to other materials. With this novel technology only low material removal rates can be achieved. Therefore, it is mostly adapted as a finishing technique. The described polishing technology can be applied to other (hard) materials as well.     

表面粗糙度非接触式测量技术研究概况

表面粗糙度对工件表面质量有很大影响，采用非接触方法有利于实现表面粗糙度的快速、无损伤、在线检测。文中重点介绍了基于光学散射、光学干涉和图像处理技术的表面粗糙度非接触测量方法及其研究现状。     

Bore polishing — identification and simulation

Bore polishing resulting from the abrasive wear of the bore of diesel engines has become more evident with the introduction of turbo-charging and consequent high mileage. This paper identifies the principal characteristics of bore polish, suggests causes and records the examination of a particular used liner. A laboratory wear machine was then used to simulated bore polish conditions. The results are analysed and discussed.     

中等粒度纳米金刚石抛光陶瓷表面研究

研究了用各种不同粒度分布的纳米金刚石抛光CaTiO3陶瓷表面。讨论了纳米金刚石颗粒大小及其悬浮液的分散稳定性对磁头表面形貌的影响,评价了由该种材料抛光所形成的缺陷和表面质量。试验分析表明,用粒径越小、粒度分布越窄的纳米金刚石抛光时试样表面粗糙度越小,而粒径越大,即使分布窄,所得的试样表面粗糙度也越大。同时,即使纳米金刚石粒径较小,如果分散稳定性不好,也会在试样表面产生若干很深的划痕和凹坑,从而影响表面粗糙度。     

航空发动机叶片砂带抛光力控制技术

基于制造集成化对航空发动机叶片的抛光要求,针对叶片抛光过程中抛光力的非线性和时变性难以控制等问题,提出一种建立抛光力控制系统数学模型并进行模糊比例-积分-微分控制的方法。研制了砂带抛光施力和运动机构,以气缸和比例阀为主要研究对象,建立抛光力控制系统的数学模型,结合模糊比例-积分-微分控制原理,设计了自适应模糊比例-积分-微分控制器。对抛光力控制系统进行系统仿真与实验验证,结果表明,所采用的模糊比例-积分-微分控制系统具有快速响应性和较强的鲁棒性,可以满足叶片抛光过程中抛光力的控制要求。     

电流变抛光工艺研究

研究了电流变抛光工艺参数对工件表面粗糙度的影响。用SiC和Al2O3磨料分别对硬质合金和光学玻璃进行了抛光试验，考察了抛光时间、工具电极转速、电源电压、磨料浓度等工艺参数影响工件表面粗糙度的规律。试验结果表明，随着抛光时间、工具电极转速、电源电压的增加，工件表面粗糙度逐渐降低。随着磨料浓度增加，工件表面粗糙度先降低后升高。对于表面粗糙度而言，磨料浓度存在一个最佳值。