CN104752603A - 一种基于电场能抵消效应的铁电材料表面超精密加工方法 - Google Patents

Abstract

一种基于电场能抵消效应的铁电材料表面超精密加工方法，在铁电材料超精密加工时加入冷却液，所述冷却液中加入电解质溶液，通过所述电解质溶液中的自由离子来中和铁电材料被加工时由于压电效应和热释电效应产生的正负电荷，消除铁电材料内部产生的电场。本发明提供一种有效消除逆压电效应产生的内应力、加工效果较好、成品率较高的基于电场能抵消效应的铁电材料表面超精密加工方法。

Description

一种基于电场能抵消效应的铁电材料表面超精密加工方法

技术领域

本发明涉及超精密加工领域，尤其是一种铁电材料的超精密加工方法，可以推广至热释电材料或压电材料的超精密加工。

背景技术

铁电材料因其具有铁电性、介电性、压电性、热释电性以及非线性光学效应、声光效应、电光效应和光致折射率变化效应等物理特性，在航空、航天、民用光电产品等领域得到广泛应用，如表面波器件、窄带滤波器、光波导、铁电存储器、光子可调谐滤波器、声光器件、光陀螺仪等，特别是在高频表面波器件，2.5G,3G标准下的声表面波器件还没有其他商品化材料可以代替铁电材料，是无线通讯中最重要的基础材料。在所有这些应用中，均对铁电材料提出高表面质量要求，所以其表面需要进行超精密加工。

但由于铁电材料具有的压电效应和热释电效应，使其在超精密加工过程中，由于外加载荷和热场的共同作用，会出现自发极化，晶胞内正负电荷中心分离，形成偶极矩，在材料表面形成强电场。当撤去外加载荷后，由于逆压电效应，前述自发极化产生的强电场会使铁电材料产生内应力。当内部应力大于材料强度时，无须外部载荷，裂纹就会产生，导致铁电材料破损，降低铁电材料的加工成品率。

现有的铁电材料加工技术，在材料加工去除角度、进给方向、速率等机械特性研究方面做了大量的工作，为加工提供了工艺理论基础，但是普遍忽略了铁电材料物理特性的影响，加工成品率低。加工中铁电材料极化现象产生的电场能量相当惊人，可以在不借助于任何外部 载荷和热的条件下完成中子和氦离子的核聚变过程，无需外部载荷，电场对于加工的影响就足以导致铁电材料破损，因此，研究、开发一种充分考虑电场能对该材料加工影响的铁电材料超精密加工方法尤为必要。

发明内容

为了克服已有铁电材料表面加工方式的存在逆压电效应产生的内应力、加工效果较差、成品率较低的不足，本发明提供一种有效消除逆压电效应产生的内应力、加工效果较好、成品率较高的基于电场能抵消效应的铁电材料表面超精密加工方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于电场能抵消效应的铁电材料表面超精密加工方法，在铁电材料超精密加工时加入冷却液，所述冷却液中加入电解质溶液，通过所述电解质溶液自由离子来中和铁电材料被加工时由于压电效应和热释电效应产生的正负电荷。

进一步，所述电解质溶液浓度为1mol/L时PH值为4～6内的酸性溶液或PH值为8～9内的碱性溶液和PH值为7的盐溶液。电解质溶液中的自由离子在加工中起到短路的作用，中和铁电材料极化产生的正负电荷。

再进一步，所述铁电材料超精密加工，加工工具与铁电材料中心轴线存在偏距，加工时加入含有电解质溶液的冷却液。

更进一步，所述铁电材料粘附于基片，所述基片以真空吸盘实现定位夹紧在机架上。

所述铁电材料的粘附方式，是以被加热后呈熔融状态的石蜡涂于 基片表面，铁电材料排除气泡附着在基片上，待石蜡凝固实现粘附。

真空吸盘的材料为多孔陶瓷；也可以为其他材料。

本发明使用的术语“铁电材料”是指虽然不含有铁元素，但是具有晶胞内正负电荷中心自发分离，形成偶极矩的自发极化现象，而且极化方向可因外电场而反向，同铁磁体具有磁滞回线一样，存在“电滞回线”，且具有与铁磁性质平行的电性质的晶体材料。

本发明的技术构思为，参照图1，加工工具1在超精密加工铁电材料4的表面时，由于施加于铁电材料4的载荷2和加工过程中产生的热量3，铁电材料4的晶胞内正负电荷中心分离，形成偶极矩，在铁电材料4表面形成强电场。通过外加电解质溶液6，电解质溶液中的自由离子形成短路电流7，中和铁电材料4表面的正负电荷，抑制前述的由于压电效应和热释电效应产生的强电场，减小逆压电效应产生的内应力。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：充分考虑并注意抑制铁电材料在加工过程中由于压电效应和热释电效应产生的电场，提高表面质量和成品率。

附图说明

图1是按照本发明所述的电场抑制原理示意图。

图2是按照本发明一个实施方案的加工示意图。

图3是图2的俯视图。

图4是按照本发明一个实施方案的砂轮端面示意图。

图5是为本发明实施例中磨削力、铁电材料被加工后的粗糙度与电解质溶液电导率的关系图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图5，一种基于电场能抵消效应的铁电材料表面超精密加工方法，在铁电材料超精密加工时加入冷却液，其特征在于：通过所述电解质溶液自由离子来中和铁电材料被加工时由于压电效应和热释电效应产生的正负电荷。

进一步，所述电解质溶液为弱酸、弱碱和盐溶液。例如浓度为1mol/L时PH值为4～6内的酸性溶液，8～9内的碱性溶液和PH值为7的盐溶液。电解质溶液中的自由离子在加工中起到短路的作用，中和铁电材料极化产生的正负电荷。

再进一步，所述铁电材料超精密表面加工，加工工具与铁电材料中心轴线存在偏距，加工时加入含有电解质溶液的冷却液。

更进一步，所述铁电材料粘附于基片，所述基片以真空吸盘实现定位夹紧在机架上。

所述铁电材料的粘附方式，是以被加热后呈熔融状态的石蜡涂于基片表面，铁电材料排除气泡附着在基片上，待石蜡凝固实现粘附。

真空吸盘的材料为多孔陶瓷；也可以为其他材料。

本实施例的铁电材料采用钽酸锂晶片9，参照图2，立式端面磨削加工铁电材料，砂轮8与钽酸锂晶片9存在偏心，加工时冷却液中加入电解质溶液12。所述砂轮8，参照图4，端面非整体，阵列粘附一定厚度的砂轮牙块16，牙块的几何形状包含心形。参照图2和图3，所述钽酸锂晶片9，粘附于基片10上，基片10以真空吸盘11实现定位夹紧。

所述钽酸锂晶片9的粘附方式，是以被加热后呈熔融状态的石蜡 涂于基片10表面，钽酸锂晶片9排除气泡附着在基片10上，待石蜡凝固实现粘附。真空吸盘11材料为多孔陶瓷。

参照图2，端面磨削的冷却液加入电解质溶液12，所述电解质溶液12包括醋酸，电解质溶液在加工中起到短路的作用，中和铁电材料极化产生的正负电荷。

具体测试条件如表1所示：

表1测试条件

如表1所示，醋酸溶液电导率与电解质溶液浓度呈线性关系，当浓度从0到0.5％，电导率随之由182变化至452μs/cm。

由具体实例实验得到如图5所示结论，表面粗糙度和力的增加速率与电导率的增加成反比，即电导率的增加成功抑制了铁电材料的压电和热释电效应。当电导率由182μs/cm增加至452μs/cm，磨削力由9W/min减少至4.8W/min，与此同时，钽酸锂的表面粗糙度由9.2nm减至6.5nm。另外，在本实例中钽酸锂晶片能够减薄至小于100微米，且不发生破碎。由此可知，随着电导率的增加，钽酸锂被加工时由于压电和热释电效应产生的电场得到有效抑制。

Claims (6)

1.一种基于电场能抵消效应的铁电材料表面超精密加工方法，在铁电材料超精密加工时加入冷却液，其特征在于：所述冷却液中加入电解质溶液，通过所述电解质溶液自由离子来中和铁电材料被加工时由于压电效应和热释电效应产生的正负电荷。

2.如权利要求1所述的基于电场能抵消效应的铁电材料表面超精密加工方法，其特征在于：所述电解质溶液浓度为1mol/L时PH值为4～6内的酸性溶液或PH值为8～9内的碱性溶液和PH值为7的盐溶液。

3.如权利要求1或2所述的基于电场能抵消效应的铁电材料表面超精密加工方法，其特征在于：所述铁电材料超精密表面加工，加工工具与铁电材料中心轴线存在偏距，加工时加入含有电解质溶液的冷却液。

4.如权利要求1或2所述的基于电场能抵消效应的铁电材料表面超精密加工方法，其特征在于：所述铁电材料粘附于基片，所述基片以真空吸盘实现定位夹紧在机架上。

5.如权利要求4所述的基于电场能抵消效应的铁电材料表面超精密加工方法，其特征在于：所述铁电材料的粘附方式，是以被加热后呈熔融状态的石蜡涂于基片表面，铁电材料排除气泡附着在基片上，待石蜡凝固实现粘附。

6.如权利要求4所述的基于电场能抵消效应的铁电材料表面超精密加工方法，其特征在于：真空吸盘的材料为多孔陶瓷。