CN111421472A - 光电协同催化耦合胶体射流加工超光滑表面的方法 - Google Patents

光电协同催化耦合胶体射流加工超光滑表面的方法 Download PDF

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Abstract

光电协同催化耦合胶体射流加工超光滑表面的方法，纳米颗粒胶体喷射系统包括增压泵及电机组、流量控制阀、流量表、压力表及液压控制开关等；光催化光路组件包括可见光光源、两端带准直镜的光纤、导电玻璃镜片、可见光触发的纳米颗粒胶体等；电催化组件包括正极、负极和外置电源。其中导电玻璃镜片与所述电催化组件正极连接形成阳极，旋转工作台上的金属铜板电极与所述电催化组件负极连接形成阴极。光电协同催化喷嘴将纳米颗粒胶体喷射系统、光催化光路组件、电催化组件有机连接成一个整体，在光电协同催化作用下，胶体抛光液中的纳米颗粒与工件表面发生充分的界面反应，从而实现半导体、光学玻璃及金属等工件表面材料的高效纳米级超光滑表面抛光。

Description

光电协同催化耦合胶体射流加工超光滑表面的方法
技术领域
本发明涉及一种光电协同催化耦合胶体射流加工超光滑表面的方法。
背景技术
在光学系统、纳米电路、化学生物传感器、医疗检测诊断及生物成像等领域对超光滑无损伤表面元器件有巨大应用需求，如在高精度的光学测试系统、软X射线光学系统及高能激光系统中需要使用具有极低的表面粗糙度和极高的面形精度的光学元件来保证高反射率和低散射特性；在超大规模集成电路中具有超光滑无损伤表面的基体可以保证获得更小尺度的特征线宽；在光波导、微透镜及微透镜阵列等微纳光学器件中通过保证微纳结构和器件具有极其精确的特征物理尺度及完整的表面晶格结构从而获得特殊的纳米尺度所独有的量子效应、尺寸效应及激子效应等与宏观器件特性显著不同的新颖特质。因此，在现代高精尖领域需要纳米、亚纳米尺度的加工技术来实现超光滑无损伤元器件的新特性。
在现有的超光滑表面抛光加工过程中，已广泛使用具有高比表面积和表面能的纳米颗粒作为抛光磨料来实现工件表面的超光滑表面抛光。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，该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、张飞虎、宋孝宗[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）中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。宋孝宗[3]等人在紫外光诱导纳米颗粒胶体射流加工超光滑表面的方法（公开号CN103286694 A，公开日：2013.09.11）中提出利用在紫外光场与胶体射流动压场耦合作用下纳米颗粒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。但该方法一方面紫外光的穿透力不足，在光路传输中大量的紫外光被阻挡和消耗，利用率不高；另一方面，紫外光诱导产生的大量的光生电子-空穴对在胶体射流束中会快速复合，因此很大程度影响了该方法的光催化效果；再一方面，在该方法加工过程中需要对操作人员进行特别的紫外防护，增加了成本和使用的不方便性。
发明内容
本发明的目的是提供一种光电协同催化耦合胶体射流加工超光滑表面的方法。
本发明是光电协同催化耦合胶体射流加工超光滑表面的方法，其步骤为：进行抛光液配制，并用超声波对所配胶体抛光液分散20分钟，获得分散性稳定的纳米颗粒胶体抛光液并将其装入抛光液容器2内；
将被加工工件15安装在光电催化反应室10中的旋转工作台17上；启动可见光光源13产生可见光束，可见光束经过两端带准直镜的光纤后以近似平行光照射在导电玻璃镜片11表面后进入光电协同催化喷嘴8的型腔内并聚焦于光电协同催化喷嘴口；
与此同时，通过增压泵及电机组3给纳米颗粒胶体加压，通过流量控制阀4控制胶体流量并通过流量表5及压力表6显示纳米颗粒胶体喷射系统的流量和压力，通过液压控制开关7使高压纳米颗粒胶体进入光电协同催化喷嘴9型腔内，与进入光电协同催化喷嘴型腔内的可见光光束发生耦合，同时接通电催化组件电源18的正极和负极，经光电协同催化喷嘴形成光电耦合纳米颗粒胶体射流束14并将其喷射在被加工工件15的待加工表面，光电耦合纳米颗粒胶体抛光液充满导电玻璃镜片11与工作台上的铜板电极16之间的间隙并产生回路；
在光电协同催化作用下，胶体抛光液中的纳米颗粒与工件表面发生界面反应，从而实现工件表面材料的高效去除；
通过工控机1控制数控多轴工作台9及旋转工作台17使光电协同催化喷嘴8被加工工件15按所需轨迹运动，从而实现工件表面材料的高效可控去除。
本发明利用在可见光场、电场及胶体射流动压场多场协同耦合作用下的荷能纳米颗粒与加工表面间的界面化学反应及胶体射流的剪切粘滞作用实现对被加工工件表面材料原子的高效去除。可显著提高材料表面原子的去除率，提高超光滑表面制造的效率，适用于对光学玻璃、半导体材料等脆硬材料进行高效超光滑表面加工。
附图说明
图1为光电协同催化耦合胶体射流加工系统示意图，附图标记及对于名称为：1、工控机，2、抛光液容器，3、增压泵及电机组，4、流量控制阀，5、流量表，6、压力表，7、液压控制开关，8、光电协同催化喷嘴，9、数控多轴工作台，10、光电催化反应室，11、导电玻璃镜片，12、两端带准直镜的光纤，13、可见光光源，14、光电耦合纳米颗粒胶体射流束，15、被加工工件，16、铜板电极，17、旋转工作台，18、电催化电源，19、纳米颗粒胶体抛光液活化装置。
具体实施方式
如图1所示，本发明是光电协同催化耦合胶体射流加工超光滑表面的方法，其步骤为：进行抛光液配制，并用超声波对所配胶体抛光液分散20分钟，获得分散性稳定的纳米颗粒胶体抛光液并将其装入抛光液容器2内。将被加工工件15安装在光电催化反应室10中的旋转工作台17上；启动可见光光源13产生可见光束，可见光束经过两端带准直镜的光纤后以近似平行光照射在导电玻璃镜片11表面后进入光电协同催化喷嘴8的型腔内并聚焦于光电协同催化喷嘴口；与此同时，通过增压泵及电机组3给纳米颗粒胶体加压，通过流量控制阀4控制胶体流量并通过流量表5及压力表6显示纳米颗粒胶体喷射系统的流量和压力，通过液压控制开关7使高压纳米颗粒胶体进入光电协同催化喷嘴9型腔内，与进入光电协同催化喷嘴型腔内的可见光光束发生耦合，同时接通电催化组件电源18的正极和负极，经光电协同催化喷嘴形成光电耦合纳米颗粒胶体射流束14并将其喷射在被加工工件15的待加工表面，光电耦合纳米颗粒胶体抛光液充满导电玻璃镜片11与工作台上的铜板电极16之间的间隙并产生回路。在光电协同催化作用下，胶体抛光液中的纳米颗粒与工件表面发生界面反应，从而实现工件表面材料的高效去除。通过工控机1控制数控多轴工作台9及旋转工作台17使光电协同催化喷嘴8及被加工工件15按所需轨迹运动，从而实现工件表面材料的高效可控去除。
本发明是光电协同催化耦合胶体射流加工超光滑表面的方法，其技术解决方案如下：
（1）使用波长在380～780nm的可见光作为反应激励光源。其中，光源包括但不限于太阳光、氙灯、碘钨灯、白炽灯、金属卤化物灯或其他发射可见光的光源。打开可见光激励光源，产生的可见光经两端带准直镜的光纤后以近似平行光束进入光电协同催化喷嘴，经过导电玻璃镜片后聚焦于光电协同催化喷嘴的喷嘴口。所述可见光束的光斑直径范围为0.1～10mm，优选0.2～2mm；光斑辐照强度范围为0.01～500mW/cm2，优选10～200mW/cm2。
（2）使用的电催化组件包括正极、负极和外置电源。其中所述电催化组件外置电源电压为直流24V，电流调节范围在0.1～100.0A。所述电催化组件正极与光电协同催化喷嘴中的导电玻璃镜片连接形成阳极，所述电催化组件负极与工作台上的铜金属板连接形成阴极。其中所述导电玻璃镜片直径在5～200mm范围，优选10～50mm，厚度在1～3mm范围，优选2～2.5mm。工作台上的铜金属板尺寸根据所加工工件尺寸确定，铜金属板厚度在0.2～2mm范围，优选1～1.25mm。
（3）根据被加工工件材料，按特定成分及组分配制所需的具有可见光催化活性的抛光液胶体。所述胶体中纳米颗粒的质量分数为0.1～30%、分散剂的质量分数为0.2～0.5%、酸度调节剂的质量分数为0.1～0.2%、去离子水的质量分数为69～99%。其中，所述纳米颗粒为具有可见光催化活性的掺杂改性的纳米二氧化钛颗粒、核壳结构纳米铁氧体颗粒、SiO2负载氮掺杂TiO2纳米颗粒、二氧化铈基复合纳米颗粒及上述纳米颗粒的配对组合等，纳米颗粒的粒径在5～40nm范围。所述酸度调节剂包括三聚磷酸钠、六偏磷酸纳、柠檬酸钠、碳酸氢钠及其各种配对组合等。所述的分散剂包括焦磷酸钠、多偏磷酸钠、正磷酸钠及其各种配对组合等。按上述组分配制成的胶体抛光液其动力粘度在0.001～0.03N·s/m2范围内、pH值在4～11范围内。
（4）所述的纳米颗粒胶体喷射系统采用电动机驱动液压隔膜泵对纳米颗粒胶体进行增压，其压力范围为0.1～50MPa，优选1～10MPa。通过液压阀控制高压纳米颗粒胶体进入光电协同催化喷嘴型腔内，通过光电协同催化喷嘴形成直径为0.1～2mm的光电协同催化耦合纳米颗粒胶体射流束，并喷射在工件表面的待加工区域，喷射速度为2～150m/s，优选10～50m/s。
（5）纳米颗粒胶体射流束在可见光场的光化学作用下产生大量的光生电子-空穴对，光电协同催化喷嘴喷出具有电解功能和光催化功能的纳米颗粒胶体抛光液并将其喷射在工件表面的待加工区域，从而充满阳极导电玻璃镜片与工作台上的阴极金属铜板之间的间隙。同时，接通电催化组件电源的正极和负极，在与正极相连的导电玻璃镜片和与负极相连的工作台上的金属铜板间产生回路，电场作用使得胶体射流束中光催化产生的光生电子-空穴对分别定向迁移，从而使得光生电子-空穴对分离，可大幅提高可见光的光化学作用对工件表面原子与纳米颗粒之间的催化效果，保证胶体抛光液中的纳米颗粒与工件表面发生充分的界面反应，形成化学吸附；同时胶体射流的剪切粘滞作用又迫使工件表面与纳米颗粒发生界面反应的原子连同纳米颗粒一起离开工件表面，从而实现工件表面材料原子的高效去除，极大提高超光滑表面制造的效率。通过数控工作台控制被加工工件按一定速度运动，即可实现被加工工件的超光滑表面高效创生。
具体实施方式一：
选用粒径在5～20nm的具有可见光催化活性的掺杂改性的纳米二氧化钛颗粒、去离子水、三聚磷酸钠酸度调节剂、焦磷酸钠分散剂。其中可见光催化活性的掺杂改性的纳米二氧化钛颗粒的质量分数为1.5%，三聚磷酸钠的质量分数为0.1%，焦磷酸钠的质量分数为0.2%，去离子水的质量分数为98.2%。按此成分进行配料，利用超声波进行30分钟分散，获得pH值为6的胶体抛光液。
将所配制的具有可见光催化活性的掺杂改性纳米二氧化钛颗粒胶体加入抛光液容器中，启动增压泵及电机组，关闭液压控制开关使纳米颗粒胶体喷射系统的胶体压强达6MPa。
启动可见光氙灯光源，产生380～780nm的可见光，可见光经两端带准直镜的光纤后以近似平行光束进入光电协同催化喷嘴，经过导电玻璃镜片后聚焦于光电协同催化喷嘴的喷嘴口，产生直径0.5mm，辐照强度150mW/cm2的光斑。
打开液压控制开关，同时接通电催化组件电源的正极和负极，电催化组件电源电压为直流24V，电流10A，纳米颗粒胶体抛光液进入光电协同催化喷嘴，经光电协同催化喷嘴形成光电耦合纳米颗粒胶体射流束并喷射在碳化硅工件的待加工表面。在光电协同催化作用下，胶体抛光液中的纳米颗粒与碳化硅工件表面发生充分的界面反应。通过工控机控制数控多轴工作台及旋转工作台，使光电协同催化喷嘴与碳化硅工件按所需轨迹运动，从而高效可控去除碳化硅工件表面的材料，实现碳化硅工件的超光滑表面抛光。
完成抛光后的胶体抛光液，通过管道进入纳米颗粒胶体抛光液活化装置，在纳米颗粒胶体抛光液活化装置内进行过滤、冷却、分散及活化后再被输运回抛光液容器，完成胶体抛光液的一个周期循环。
具体实施方式二：本实施方式与前述具体实施方式一区别在于光电协同催化耦合胶体射流加工单晶硅基片超光滑表面时方法如下：在射流压力为3MPa、pH值为8、动力粘度为0.011N·s/m2时，将粒径40nm左右，质量分数8%的核壳结构纳米铁氧体颗粒胶体增压后，在辐照强度为120mW/cm2的可见光场下，电催化组件电源电压为直流24V，电流30A时，通过直径0.5mm的光电协同催化喷嘴产生光电协同催化耦合纳米颗粒胶体射流束并喷射在以60r/min的转速旋转的单晶硅基片表面，对其进行200min的超光滑表面抛光。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同之处在于所用具有可见光催化活性的掺杂改性纳米二氧化钛颗粒的质量分数为3.5%、酸度调节剂为碳酸氢钠，其质量分数为0.15%，分散剂为正磷酸钠，其质量分数为0.25%，去离子水的质量分数为96.1%，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区别之处在于所述的纳米颗粒胶体按质量分数由5%的纳米颗粒、0.35%的酸度调节剂、0.40%的分散剂及94.25%的去离子水配制而成，纳米颗粒由30～50nm的SiO2负载氮掺杂TiO2纳米颗粒与30～50nm的二氧化铈基复合纳米颗粒按3：2的质量比例组合而成。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式五：应用光电协同催化耦合胶体射流加工超光滑表面的方法对JGS1远紫外光学石英玻璃元件进行超光滑表面抛光。所用二氧化铈基复合纳米颗粒的粒径为20~50nm，纳米颗粒胶体抛光液中纳米颗粒的质量分数为6.5%，动力粘度为0.03N·s/m2，pH值为8，抛光时纳米颗粒胶体的喷射压力为15MPa，光电协同催化喷嘴直径为0.3mm，所用的可见光光源为碘钨灯，可见光场的辐照强度为150 mW/cm2。加工过程中JGS1远紫外光学石英玻璃元件以120r/min的转速旋转、抛光时间300min。

Claims (8)

1.光电协同催化耦合胶体射流加工超光滑表面的方法，其特征在于，其步骤为：
进行抛光液配制，并用超声波对所配胶体抛光液分散20分钟，获得分散性稳定的纳米颗粒胶体抛光液并将其装入抛光液容器（2）内；
将被加工工件（15）安装在光电催化反应室（10）中的旋转工作台（17）上；启动可见光光源（13）产生可见光束，可见光束经过两端带准直镜的光纤后以近似平行光照射在导电玻璃镜片（11）表面后进入光电协同催化喷嘴（8）的型腔内并聚焦于光电协同催化喷嘴口；
与此同时，通过增压泵及电机组（3）给纳米颗粒胶体加压，通过流量控制阀（4）控制胶体流量并通过流量表（5）及压力表（6）显示纳米颗粒胶体喷射系统的流量和压力，通过液压控制开关（7）使高压纳米颗粒胶体进入光电协同催化喷嘴（9）型腔内，与进入光电协同催化喷嘴型腔内的可见光光束发生耦合，同时接通电催化组件电源（18）的正极和负极，经光电协同催化喷嘴形成光电耦合纳米颗粒胶体射流束（14）并将其喷射在被加工工件（15）的待加工表面，光电耦合纳米颗粒胶体抛光液充满导电玻璃镜片（11）与工作台上的铜板电极（16）之间的间隙并产生回路；
在光电协同催化作用下，胶体抛光液中的纳米颗粒与工件表面发生界面反应，从而实现工件表面材料的高效去除；
通过工控机（1）控制数控多轴工作台（9）及旋转工作台（17）使光电协同催化喷嘴（8）及被加工工件（15）按所需轨迹运动，从而实现工件表面材料的高效可控去除。
2.根据权利要求1所述的光电协同催化耦合胶体射流加工超光滑表面的方法，其特征在于所述的纳米颗粒胶体喷射系统采用的增压泵及电机组为电动机驱动液压隔膜泵，其增压范围为0.1～50MPa，优选1～10Mpa；纳米颗粒胶体喷射系统通过光电协同催化喷嘴形成光电协同催化耦合纳米颗粒胶体射流束，所述光电协同催化耦合纳米颗粒胶体射流束其喷射速度为2～150m/s，优选10～50m/s。
3.根据权利要求1所述的光电协同催化耦合胶体射流加工超光滑表面的方法，其特征在于所述可见光光源的波长范围在380～780nm，所述光源包括但不限于太阳光、氙灯、碘钨灯、白炽灯、金属卤化物灯或其他发射可见光的光源；所产生的可见光束的光斑直径范围为0.1～10mm，优选0.2～2mm；光斑辐照强度范围为0.01～500mW/cm2，优选10～200mW/cm2。
4.根据权利要求1所述的光电协同催化耦合胶体射流加工超光滑表面的方法，其特征在于所述电催化组件外置电源电压为直流24V，电流调节范围在0.1～200.0A；所述电催化组件正极与光电协同催化喷嘴中的导电玻璃镜片连接形成阳极，所述电催化组件负极与工作台上的铜金属板连接形成阴极；其中所述导电玻璃镜片直径在5～200mm范围，优选10～50mm，厚度在1～3mm范围，优选2～2.5mm；工作台上的铜金属板尺寸根据所加工工件尺寸确定，铜金属板厚度在0.2～2mm范围，优选1～1.25mm。
5.根据权利要求1所述的光电协同催化耦合胶体射流加工超光滑表面的方法，其特征在于所述的纳米颗粒胶体抛光液具有可见光催化活性；所述胶体抛光液中纳米颗粒的质量分数为0.1～30%、分散剂的质量分数为0.2～0.5%、酸度调节剂的质量分数为0.1～0.2%、去离子水的质量分数为69～99%；所配制的纳米颗粒胶体抛光液其密度在1.01～1.80×103kg/m3范围内，动力粘度在0.001～0.03N·s/m2范围内、pH值在4～11范围内。
6.根据权利要求5所述的光电协同催化耦合胶体射流加工超光滑表面的方法，其特征在于纳米颗粒胶体抛光液，其纳米颗粒为具有可见光催化活性的掺杂改性的纳米二氧化钛颗粒、核壳结构纳米铁氧体颗粒、SiO2负载氮掺杂TiO2纳米颗粒、二氧化铈基复合纳米颗粒及上述纳米颗粒的配对组合；所用纳米颗粒的粒径在5～40nm范围。
7.根据权利要求5所述的光电协同催化耦合胶体射流加工超光滑表面的方法，其特征在于纳米颗粒胶体抛光液，所述酸度调节剂为三聚磷酸钠，或者六偏磷酸纳，或者柠檬酸钠，或者碳酸氢钠，或者以上各种配对组合。
8.根据权利要求5所述的光电协同催化耦合胶体射流加工超光滑表面的方法，其特征在于纳米颗粒胶体抛光液，所述的分散剂为焦磷酸钠，或者多偏磷酸钠，或者正磷酸钠，或者以上各种配对组合。
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