CN103286694B - 紫外光诱导纳米颗粒胶体射流进行超光滑表面加工的方法 - Google Patents
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Abstract
紫外光诱导纳米颗粒胶体射流进行超光滑表面加工的方法，首先将被加工件(11)通过反应室(13)固定在多自由度工作台(12)上；启动可调紫外光源(6)使紫外光束经过反射镜(7)反射后进入光-液耦合喷嘴(9)，并聚焦于光-液耦合喷嘴的喷嘴口；然后启动增压装置(3)给纳米颗粒胶体加压后打开控制开关(4)，使纳米颗粒胶体(5)进入光-液耦合喷嘴(9)内，与通过光-液耦合喷嘴的聚焦紫外光束发生耦合，形成紫外光耦合纳米颗粒胶体射流束(10)，并将其喷射在工件(11)表面的待加工区域，与工件表面发生光催化界面反应。
Description
技术领域
本发明涉及用紫外光诱导纳米颗粒胶体射流进行超光滑表面加工技术。
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。
由于纳米颗粒具有高比表面及和表面能，使得其在超光滑表面加工领域具有重要的应用。在先技术中，张飞虎、宋孝宗[1]等人在应用纳米胶体射流抛光元件表面的方法(公开号CN101462256，公开日：2009.06.24)中提出了一种应用纳米胶体射流抛光元件表面的方法。但是，先技术应用纳米胶体射流抛光元件表面的方法存在材料去除效率低的缺点。张勇[2]等人在胶体液流动压空化射流抛光装置及方法(公开号CN101670556，公开日：2010.03.17)提出利用空化射流的方法提高纳米颗粒胶体射流的材料去除率，但由于在射流过程中空化效应产生的随机性，以及空化点的高温高压特性，使得其加工去除特性及加工表面质量存在不可控因素。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于紫外光诱导纳米颗粒胶体射流进行超光滑表面加工的方法。
本发明是紫外光诱导纳米颗粒胶体射流进行超光滑表面加工的方法，其步骤为：
(1)选用波长在200-400nm的紫外光作为反应激励光源；
(2)按特定成分及组分配制所需的纳米颗粒胶体，开启增压装置，对所配制的纳米颗粒胶体进行加压；
(3)打开紫外光源，调节紫外光聚焦系统，使紫外光束以平行光通过光-液耦合喷嘴后按所需光斑直径聚焦于光-液耦合喷嘴的喷嘴口。
(4)开启控制开关，使纳米颗粒胶体进入光-液耦合喷嘴内，与通过光-液耦合喷嘴的紫外光束发生光-液耦合；
(5)紫外光束耦合胶体射流束作用在工件表面，与工件表面发生光催化界面反应，控制工件运动，实现脆硬材料工件的超光滑表面加工。
本发明利用在紫外光场与胶体射流动压场耦合作用下纳米颗粒(粒径在10nm-40nm之间)与加工表面间的光化学反应、界面化学反应以及胶体射流产生的剪切粘滞作用实现对工件表面材料的亚纳米级去除。在紫外光诱导纳米颗粒胶体射流进行超光滑表面加工的过程中，紫外光的光化学作用对胶体射流中纳米颗粒与工件表面间的界面反应进行充分的激励和强化，从而很大程度提高材料表面原子的去除率，提高超光滑表面制造的效率。
附图说明
图1为本发明紫外光诱导纳米颗粒胶体射流加工系统示意图，附图标记及对应名称为：图中1、计算机，2、纳米颗粒胶体容器，3、增压装置，4、控制开关，5、纳米颗粒胶体射流束，6、可调紫外光源，7、反射镜，8、平行紫外光束，9、光-液耦合喷嘴，10、紫外光耦合胶体射流束，11、工件，12、多自由度工作台，13、反应室，14、纳米颗粒胶体循环设备。
图2为本发明的加工过程示意图，图中5、胶体射流束，8、平行紫外光束，9、光-液耦合喷嘴，10、紫外光耦合胶体射流束，11、工件，15、加工后的工件表面轮廓。
具体实施方式
本发明紫外光诱导纳米颗粒胶体射流加工超光滑表面的方法，其中紫外光源为低压、中亚、高压汞灯或其他发射紫外光波段的设备，本方法所用紫外光的波长在200-400nm的范围内。加工过程中紫外光束光斑直径范围为0.1～2mm，紫外光束中心辐照强度在0.01-100mW/cm2的范围内可调。
按质量百分比计，本方法所用的纳米颗粒胶体的组分为：无机纳米颗粒0.5～20％、去离子水79～99％、pH值调节剂0.1～0.2％、表面活性剂0.2～0.5％。其中所述的无机纳米颗粒的粒径在10nm-40nm范围，无机纳米颗粒为纳米二氧化钛颗粒、纳米二氧化硅颗粒、纳米氧化铈颗粒、纳米氧化铝颗粒及上述无机纳米颗粒的配对组合等。pH值调节剂为碳酸钾，氢氧化钠等。表面活性剂为两性离子表面活性剂氨基酸型R-NH+2-CH2CH2COO-。
紫外光诱导胶体射流进行超光滑表面加工方法，其步骤为：按上述的纳米颗粒胶体成分及组分进行配料，利用机械分散方法对其所得胶体进行分散20分钟，制得所需的纳米颗粒胶体；将所得纳米颗粒胶体装入特定纳米颗粒胶体容器内，然后应用增压装置加压至0.1～20MPa；打开紫外光源，调节紫外光聚焦系统，使紫外光束以平行光通过光-液耦合喷嘴，并按所需光斑直径聚焦于光-液耦合喷嘴的喷嘴口；开启纳米颗粒胶体喷射控制开关，使纳米颗粒胶体进入光-液耦合喷嘴内，与通过光-液耦合喷嘴的紫外光束发生耦合，然后以速度2-150m/s，直径为0.1-2mm的紫外光耦合纳米颗粒胶体射流束喷射在工件表面的待加工区域；紫外光束耦合胶体射流束作用在工件表面，与工件表面发生光催化界面反应，通过计算机控制多自由度工件台实现工件的特定运动，从而实现工件表面材料的可控去除。
以下的具体实施方式是对本发明的进一步说明，本发明的技术方案不局限于下面所列举的具体实施方式，还包括各个具体实施方式间的任意组合。
具体实施方式一：本实施方式中紫外光诱导纳米颗粒胶体射流加工超光滑表面方法如下：
(1)纳米颗粒胶体的配制：
按质量百分比计，取粒径在20nm-30nm的二氧化钛纳米颗粒2.5％、去离子水97％、pH值调节剂0.15％、表面活性剂0.35％。按此成分进行配料，利用机械分散方法对其进行分散20分钟，获得pH值为9的纳米颗粒胶体；
(2)纳米颗粒胶体压力发生：
将所配制的二氧化钛纳米颗粒胶体加入纳米颗粒胶体容器2，然后通过增压装置3使纳米颗粒胶体产生10MPa的压强。
(3)聚焦紫外光束的产生：
打开可调紫外光源6，其中紫外光源为中压汞灯，紫外光的波长在300nm左右，产生的平行紫外光束8经反射镜7反射后，垂直入射进入光-液耦合喷嘴9，通过光-液耦合喷嘴9中的聚焦物镜后聚焦于喷嘴口，控制光束的光斑直径为0.5mm，控制聚焦后紫外光束中心辐照强度在15mW/cm2。
(4)紫外光束与胶体射流束的耦合：
打开控制开关4，使高压纳米颗粒胶体5进入光-液耦合喷嘴9，与聚焦紫外光束发生耦合，产生紫外光耦合胶体射流束10，共同作用于工件11的待加工表面，由于紫外光的光化学作用，激励、强化了纳米颗粒与工件表面间的界面反应，实现工件材料的高效率去除。
(5)紫外光诱导纳米颗粒胶体射流加工超光滑表面：
紫外光耦合胶体射流束10射向反应室13中的被加工工件11后，在反应室13中对工件11进行抛光加工，抛光时通过计算机1控制多自由度工作台12各轴的运动，使光-液耦合喷嘴9和工件11按照预先设定的轨迹运动，从而实现对工件的超光滑表面加工。
(6)纳米颗粒胶体的循环利用：
光-液耦合喷嘴9射出的纳米颗粒胶体，在完成对工件11的超光滑表面加工后，通过反应室13底部的管道被送入纳米胶体循环设备14内，重新进行过滤、冷却及分散，然后再送回纳米颗粒胶体容器2内，实现纳米颗粒胶体的循环利用。
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颗粒胶体按重量份数由5份的纳米颗粒、94.5份去离子水、0.1份pH值调节剂、0.4份活性剂成，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颗粒胶体按重量份数由8份的纳米颗粒、91.5份去离子水、0.15份pH值调节剂、0.35份表面活性剂组成，其中所述的纳米颗粒的粒径为40nm以下，纳米颗粒的成分为3份的纳米二氧化钛颗粒与5份的纳米氧化铈颗粒组合而成。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应用紫外光诱导纳米颗粒胶体射流抛光单晶硅基片时的方法如下：在射流压力为6MPa、动力粘度为0.015N·s/m2、pH值为10的条件下将质量分数为6％纳米二氧化硅颗粒胶体喷射于光-液耦合喷嘴中，喷嘴直径0.3mm，使其与能量密度为20mW/cm2的紫外光束耦合后作用于单晶硅基片表面，对其进行超光滑表面加工，加工时单晶硅基片以100r/min的转速随元件平台旋转、抛光时间3h。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四的不同之处是应用紫外光诱导纳米颗粒胶体射流对K9玻璃元件进行超光滑表面加工的方法如下：在射流压力为10MPa、动力粘度为0.02N·s/m2、pH值为8的条件下将质量分数为10％的纳米氧化铈颗粒胶体喷射于光-液耦合喷嘴中，喷嘴直径为0.6mm，使其与能量密度为25mW/cm2的紫外光束耦合后作用于K9玻璃元件表面，其中所用的紫外光源为高压汞灯，紫外光的波长主峰在365nm左右。加工过程中K9玻璃元件以50r/min的转速旋转、抛光时间5h。
Claims (10)
1.紫外光诱导纳米颗粒胶体射流进行超光滑表面加工的方法，其特征在于，其步骤为：
(1)选用波长在200-400nm的紫外光作为反应激励光源；
(2)按特定成分及组分配制所需的纳米颗粒胶体，开启增压装置，对所配制的纳米颗粒胶体进行加压；
(3)打开紫外光源，调节紫外光聚焦系统，使紫外光束以平行光通过光-液耦合喷嘴后按所需光斑直径聚焦于光-液耦合喷嘴的喷嘴口；
(4)开启控制开关，使纳米颗粒胶体进入光-液耦合喷嘴内，与通过光-液耦合喷嘴的紫外光束发生光-液耦合；
(5)紫外光束耦合胶体射流束作用在工件表面，与工件表面发生光催化界面反应，控制工件运动，实现脆硬材料工件的超光滑表面加工。
2.根据权利要求1所述的紫外光诱导纳米颗粒胶体射流进行超光滑表面加工的方法，其特征在于所述的紫外光源为低压、中压、高压汞灯或其他发射紫外光波段的设备，紫外光的波长在200-400nm的范围内。
3.根据权利要求2所述的紫外光诱导纳米颗粒胶体射流进行超光滑表面加工的方法，其特征在于所述的紫外光束光斑可调直径范围为0.1～2mm，紫外光束中心辐照强度在0.01-100mW/cm2.
4.根据权利要求1所述的紫外光诱导纳米颗粒胶体射流进行超光滑表面加工的方法，其特征在于所述的纳米颗粒胶体由质量分数在0.5～25％的纳米颗粒、74～99％的去离子水、0.1～0.25％的pH值调节剂、0.25～0.5％的表面活性剂配制而成，其中所述的纳米颗粒的粒径在10nm-40nm范围。
5.根据权利要求4所述的紫外光诱导纳米颗粒胶体射流进行超光滑表面加工的方法，其特征在于所述的纳米颗粒胶体的密度在1.01～1.50×103kg/m3范围内，其动力粘度在0.002～0.025N·s/m2范围内、pH值在6～11范围内
6.根据权利要求4所述的紫外光诱导纳米颗粒胶体射流进行超光滑表面加工的方法，其特征在于所述的纳米颗粒为无机纳米颗粒。
7.根据权利要求6所述的紫外光诱导纳米颗粒胶体射流进行超光滑表面加工的方法，其特征在于所述的无机纳米颗粒为纳米二氧化钛颗粒、纳米二氧化硅颗粒、纳米氧化铈颗粒、纳米氧化铝颗粒以及上述无机纳米颗粒间的配对组合。
8.根据权利要求4所述的紫外光诱导纳米颗粒胶体射流进行超光滑表面加工的方法，其特征在于所述的pH值调节剂为碳酸钾，氢氧化钠。
9.根据权利要求4所述的紫外光诱导纳米颗粒胶体射流进行超光滑表面加工的方法，其特征在于所述的表面活性剂为两性离子表面活性剂氨基酸型R-NH+2-CH2CH2COO-。
10.根据权利要求1所述的紫外光诱导纳米颗粒胶体射流进行超光滑表面加工的方法，其特征在于所述的压力发生装置的压力可调范围为0.1-20MPa，纳米颗粒胶体射流经过直径为0.1-2mm的光-液耦合喷嘴后其速度分布范围为2-150m/s。
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