CN101462256B - 应用纳米胶体射流抛光元件表面的方法 - Google Patents
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Abstract
应用纳米胶体射流抛光元件表面的方法，它涉及一种应用胶体射流抛光元件的方法。本发明解决了现有的抛光方法难以使元件表面达到超光滑表面的要求或能达到超光滑表面的要求但加工成本过高的问题。本发明方法如下：在射流压力为0.1MPa～10MPa、喷射速度为10～200m/s的条件下将纳米胶体喷射于元件表面；其中所述的纳米胶体的动力粘度为0.001～0.02N·s/m2、pH值为8～12。本发明方法适用于光学玻璃、微晶玻璃、半导体材料及单晶材料等硬脆材料的超精密、超光滑抛光，经过抛光后元件表面粗糙度小于1nm(Rms)，达到了超光滑表面的要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种应用胶体射流抛光元件的方法。
背景技术
随着现代短波光学、强光光学、电子学及薄膜科学的发展，对元件提出超光滑表面的要求，要求表面粗糙度小于1nm Rms。具有较低的表面波纹度以及较高的面形精度；表面疵病与亚表面损伤尽可能减少，表面残余的加工应力极小；晶体表面具有完整的晶格结构，表面无晶格位错。
非球面器件(尤其是小曲率半径非球面和自由曲面器件)的超光滑表面加工技术是目前光学加工所面临的巨大难题。依靠传统的经验依赖性的光学加工方法已无法满足日益发展的光学、电子学对表面要求。各个国家都十分注重研究和开发新型精密研磨和抛光方法，进而出现了许多新的抛光加工方法，其中以机械去除为主的有计算机控制小工具抛光和应力抛光；以流体动力去除为主有磁流变抛光和水射流抛光；以物理碰撞和化学腐蚀去除为主的有离子束抛光和等离子体化学气化加工；以机械化学综合去除的有化学机械抛光和弹性发射加工。以上各方法中，以机械方式去除和以流体动力去除的抛光方法，在加工过程中会在元件表面引入晶格缺陷及残余应力，从而影响最终元件表面的粗糙度，达不到光滑表面的要求；离子束抛光和等离子体化学气化加工及弹性发射加工，虽可以达到原子级的超光滑表面，但其设备价格昂贵，抛光成本高；化学机械抛光主要应用于较大平面的平整，不适宜加工非球曲面及小区率自由曲面。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的抛光方法难以使元件表面达到超光滑表面的要求或能达到超光滑表面的要求但加工成本过高的问题，提供了一种应用纳米胶体射流抛光元件表面的方法。
本发明应用纳米胶体射流抛光元件表面的方法如下：在射流压力为0.1MPa～10MPa、喷射速度为10～200m/s的条件下将纳米胶体喷射于元件表面；其中所述的纳米胶体的动力粘度为0.001～0.02N·s/m2、pH值为8～12。
上述的纳米胶体按重量份数由0.5～15份的纳米颗粒、85～99份去离子水、0.1～0.2份pH值调节剂、0.2～1份分散剂和0.05-0.2份聚丙烯酸钠制成，其中所述的纳米颗粒的粒径为50nm以下；上述的纳米颗粒为无机纳米颗粒；上述的无机纳米颗粒为纳米二氧化硅颗粒、纳米二氧化钛颗粒、纳米氧化铈颗粒或纳米氧化铝颗粒；上述的pH值调节剂为AMP 95pH值调节剂或AMP 96pH值调节剂；上述的分散剂为聚羧酸钠盐型分散剂或聚丙烯酸盐型分散剂。
所述的纳米胶体的制备方法如下：按重量份数首先将85～99份的去离子水、0.1～0.2份的pH值调节剂、0.2～1份的分散剂和0.05～0.2份的聚丙烯酸钠混合制得pH值基液，然后以10～60转/分钟的搅拌速度将0.5～15份的纳米颗粒加入到pH值基液中制得混合液，再以120～300转/分钟的搅拌速度将混合液搅拌5～20分钟后在频率为10～40KHz的条件下将混合液超声波分散5～30分钟，即得纳米胶体。上述的纳米颗粒为无机纳米颗粒；上述的无机纳米颗粒为纳米二氧化硅颗粒、纳米二氧化钛颗粒、纳米氧化铈颗粒或纳米氧化铝颗粒；上述的pH值调节剂为AMP 95pH值调节剂或AMP 96pH值调节剂。
本发明方法适用于光学玻璃、微晶玻璃、半导体材料及单晶材料等硬脆材料的超精密、超光滑抛光，经过抛光后元件表面粗糙度小于1nm(Rms)，达到了超光滑表面的要求。本发明所用的纳米胶体配制方法简单，原材料容易获取，成本低，且可重复利用，抛光过程中对加工环境没有严苛要求，在大气环境中即可实现超光滑表面的抛光，且使用的装备结构简单，制造成本低。
附图说明
图1是具体实施方式一所用的纳米胶体射流抛光装置图。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。
具体实施方式一：本实施方式中应用纳米胶体射流抛光元件表面的方法如下：在射流压力为0.1MPa～10MPa、喷射速度为10～200m/s的条件下将纳米胶体喷射于元件表面；其中所述的纳米胶体的动力粘度为0.001～0.02N·s/m2、pH值为8～12。
结合图1本实施方式中应用纳米胶体射流抛光元件表面的方法如下：打开第一两位三通控制阀1，启动蠕动泵11向第一高压容器23内的第一柔性密封囊24输送纳米胶体，待纳米胶体充满第一柔性密封囊24时，关闭第一两位三通控制阀1和第三两位三通控制阀5，打开第二两位三通控制阀2和第四两位三通控制阀6。启动柱塞泵8，液压油经蓄能器7稳压后从第四两位三通控制阀6进入第一高压容器23内，高压液压油挤压第一柔性密封囊24内的纳米胶体，纳米胶体经第一两位三通控制阀1进入喷嘴19，从喷嘴19射向被加工元件，对其进行抛光加工，抛光时通过数控机床的计算机控制数控机床的第一轴向导轨14、第二轴向导轨15、第三轴向导轨20及第四轴向转台21的运动，使喷嘴19和工作台17按照计算机内设定的轨迹运动，从而实现特定的抛光轨迹。第一柔性密封囊24内的纳米胶体进行抛光的同时，通过蠕动泵11给第二高压容器4内的第二柔性密封囊3输送纳米胶体，纳米胶体进入第二柔性密封囊3，将第一高压容器4内的液压油压出，经第三两位三通控制阀5排回液压油箱9，被柱塞泵8循环使用。第二柔性密封囊3内充满纳米胶体后，信号被返回由计算机控制系统自动关闭蠕动泵11，第二柔性密封囊3待用。当第一柔性密封囊24内的纳米胶体即将用完时，打开第一两位三通控制阀1和第三两位三通控制阀5，关闭第二两位三通控制阀2和第四两位三通控制阀6，第二柔性密封囊3内的纳米胶体开始进行抛光，而第一柔性密封囊24可进行胶体注入，如此循环工作。从喷嘴19射出的纳米胶体，送入纳米胶体循环装置12内，重新进行冷却，然后再送回封闭的纳米胶体容器10内。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是所述的纳米胶体按重量份数由0.5～15份的纳米颗粒、85～99份去离子水、0.15份pH值调节剂、0.2～1份分散剂和0.05-0.2份聚丙烯酸钠制成，其中所述的纳米颗粒的粒径为50nm以下。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同的是所述的纳米胶体按重量份数由2～12份的纳米颗粒、87～97份去离子水、0.16份pH值调节剂、0.5份分散剂和0.1份聚丙烯酸钠制成，其中所述的纳米颗粒的粒径为40nm。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一不同的是所述的纳米胶体按重量份数由5～10份的纳米颗粒、88～96份去离子水、0.17份pH值调节剂、0.7份分散剂和0.15份聚丙烯酸钠制成，其中所述的纳米颗粒的粒径为30nm。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一不同的是所述的纳米胶体按重量份数由8份的纳米颗粒、90份去离子水、0.18份pH值调节剂、0.9份分散剂和0.2份聚丙烯酸钠制成，其中所述的纳米颗粒的粒径为20nm。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一不同的是所述的纳米颗粒为无机纳米颗粒。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一不同的是所述的无机纳米颗粒为纳米二氧化硅颗粒、纳米二氧化钛颗粒、纳米氧化铈颗粒或纳米氧化铝颗粒。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一不同的是所述的pH值调节剂为AMP 95pH值调节剂或AMP 96pH值调节剂。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一不同的是所述的分散剂为聚羧酸钠盐型分散剂或聚丙烯酸盐型分散剂。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式二不同的是所述的纳米胶体的制备方法如下：按重量份数首先将85～99份的去离子水、0.1～0.2份的pH值调节剂、0.2～1份的分散剂和0.05～0.2份的聚丙烯酸钠混合制得pH值基液，然后以10～60转/分钟的搅拌速度将0.5～15份的纳米颗粒加入到pH值基液中制得混合液，再以120～300转/分钟的搅拌速度将混合液搅拌5～20分钟后在频率为10～40KHz的条件下将混合液超声波分散5～30分钟，即得纳米胶体。其它与具体实施方式二相同。
具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式十不同的是所述的纳米胶体的制备方法如下：首先将87～97份去离子水、0.16份pH值调节剂、0.5份分散剂和0.1份聚丙烯酸钠混合制得pH值基液，然后以10～60转/分钟的搅拌速度将2～12重量份纳米颗粒加入到pH值基液中制得混合液，再以120～300转/分钟的搅拌速度将混合液搅拌5～20分钟后，在频率为10～40KHz的条件下将混合液超声波分散5～30分钟，即得纳米胶体。
具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式十不同的是所述的纳米胶体的制备方法如下：首先将88～96份去离子水、0.17份pH值调节剂、0.7份分散剂和0.9份聚丙烯酸钠混合制得pH值基液，然后以10～60转/分钟的搅拌速度将5～10重量份纳米颗粒加入到pH值基液中制得混合液，再以120～300转/分钟的搅拌速度将混合液搅拌5～20分钟后，在频率为10～40KHz的条件下将混合液超声波分散5～30分钟，即得纳米胶体。
具体实施方式十三：本实施方式与具体实施方式十不同的是所述的纳米胶体的制备方法如下：首先将90份去离子水、0.18份pH值调节剂、0.9份分散剂和0.2份聚丙烯酸钠混合制得pH值基液，然后以10～60转/分钟的搅拌速度将8重量份纳米颗粒加入到pH值基液中制得混合液，再以120～300转/分钟的搅拌速度将混合液搅拌5～20分钟后，在频率为10～40KHz的条件下将混合液超声波分散5～30分钟，即得纳米胶体。
具体实施方式十四：本实施方式与具体实施方式十不同的是所述的纳米颗粒为无机纳米颗粒。其它与具体实施方式十或相同。
具体实施方式十五：本实施方式与具体实施方式十不同的是所述的无机纳米颗粒为纳米二氧化硅颗粒、纳米二氧化钛颗粒、纳米氧化铈颗粒或纳米氧化铝颗粒。其它与具体实施方式十相同。
具体实施方式十六：本实施方式与具体实施方式十不同的是所述的pH值调节剂为AMP 95pH值调节剂或AMP 96pH值调节剂。其它与具体实施方式十相同。
具体实施方式十七：本实施方式与具体实施方式十不同的是所述的分散剂为聚羧酸钠盐型分散剂或聚丙烯酸盐型分散剂。其它与具体实施方式十相同。
具体实施方式十八：本实施方式与具体实施方式一不同的是应用纳米胶体射流抛光K9玻璃基片表面的方法如下：在射流压力为4MPa、动力粘度为0.02N·s/m2、pH值为10、喷射速度为30m/s的条件下将30％vol纳米SiO2胶体喷射于一直径为10mm的K9玻璃基片表面，其中K9玻璃基片以60r/min的转速随元件平台旋转、抛光10h。
用原子力显微镜随机检测经过K9玻璃基片的表面粗糙度，未经纳米胶体射流抛光前K9玻璃基片表面粗糙度为4.169nm(Rms)[2.078nm(Ra)]，纳米胶体射流抛光后，K9玻璃基片表面粗糙度提高到0.935nm(Rms)[0.519nm(Ra)]，表面粗糙度低于到1nm Rms，符合超光滑表面的要求。
具体实施方式十九：本实施方式与具体实施方式一不同的是应用纳米胶体射流抛光K9玻璃基片表面的方法如下：在射流压力为1.5MPa、动力粘度为0.001N·s/m2、pH值为10、喷射速度为10m/s的条件下将10％vol纳米SiO2胶体喷射于一直径为10mm的K9玻璃基片表面，其中K9玻璃基片以60r/min的转速随元件平台旋转、抛光20h。
用原子力显微镜随机检测经过K9玻璃基片的表面粗糙度，未经纳米胶体射流抛光前K9玻璃基片表面粗糙度为4.236nm(Rms)[2.137nm(Ra)]，纳米胶体射流抛光后，K9玻璃基片表面粗糙度提高到0.853nm(Rms)[0.431nm(Ra)]，表面粗糙度低于到1nm Rms，符合超光滑表面的要求。
Claims (9)
1.一种应用纳米胶体射流抛光元件表面的方法，其特征在于应用纳米胶体射流抛光元件表面的方法如下：在射流压力为0.1MPa～10MPa、喷射速度为10～200m/s的条件下将纳米胶体喷射于元件表面；其中所述的纳米胶体的动力粘度为0.001～0.02N·s/m2、pH值为8～12；所述的纳米胶体按重量份数由0.5～15份的纳米颗粒、85～99份去离子水、0.1～0.2份pH值调节剂、0.2～1份分散剂和0.05-0.2份聚丙烯酸钠制成，其中所述的纳米颗粒的粒径为50nm以下。
2.根据权利要求1所述的应用纳米胶体射流抛光元件表面的方法，其特征在于所述的纳米颗粒为无机纳米颗粒。
3.根据权利要求2所述的应用纳米胶体射流抛光元件表面的方法，其特征在于所述的无机纳米颗粒为纳米二氧化硅颗粒、纳米二氧化钛颗粒、纳米氧化铈颗粒或纳米氧化铝颗粒。
4.根据权利要求1所述的应用纳米胶体射流抛光元件表面的方法，其特征在于所述的pH值调节剂为AMP 95pH值调节剂或AMP 96pH值调节剂。
5.根据权利要求1所述的应用纳米胶体射流抛光元件表面的方法，其特征在于所述的分散剂为聚羧酸钠盐型分散剂或聚丙烯酸盐型分散剂。
6.根据权利要求1所述的应用纳米胶体射流抛光元件表面的方法，其特征在于所述纳米胶体的制备方法如下：按重量份数首先将85～99份的去离子水、0.1～0.2份的pH值调节剂、0.2～1份的分散剂和0.05～0.2份的聚丙烯酸钠混合制得pH值基液，然后以10～60转/分钟的搅拌速度将0.5～15份的纳米颗粒加入到pH值基液中制得混合液，再以120～300转/分钟的搅拌速度将混合液搅拌5～20分钟后在频率为10～40KHz的条件下将混合液超声波分散5～30分钟，即得纳米胶体。
7.根据权利要求6所述的应用纳米胶体射流抛光元件表面的方法，其特征在于所述的纳米颗粒为无机纳米颗粒。
8.根据权利要求7所述的应用纳米胶体射流抛光元件表面的方法，其特征在于所述的无机纳米颗粒为纳米二氧化硅颗粒、纳米二氧化钛颗粒、纳米氧化铈颗粒或纳米氧化铝颗粒。
9.根据权利要求6所述的应用纳米胶体射流抛光元件表面的方法，其特征在于所述的pH值调节剂为AMP 95pH值调节剂或AMP 96pH值调节剂。
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