CN113953896A - 采用磁性和非磁性纳米颗粒混合驱动的行星式抛光方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种采用磁性和非磁性纳米颗粒混合驱动的行星式抛光方法，在容器中加入液体溶剂、磁性纳米颗粒和非磁性纳米颗粒；采用机械搅拌器对混合溶液进行搅拌，让溶液整体流动；在容器施加一个旋转磁场，旋转磁场与机械搅拌器的搅拌桨成一定角度，搅拌桨带动两种纳米颗粒做旋转运动，同时磁性纳米颗粒还沿着磁场驱动力方向做类行星运动；把待抛光部件放入溶液中，随着液体流动，磁性和非磁性两种纳米颗粒沿不同方向碰撞待抛光部件表面，对带抛光部件表面起到磨削抛光的作用。本发明方法的实际抛光效率优于现有的纯粹磁力场磁流体抛光，同时均匀性优于现有的旋转研磨抛光。
Description
技术领域
本发明属于材料精密加工技术领域，具体涉及一种工件或元件表面的抛光加工方法。
背景技术
目前部件或者零件加工表面处理，加工方式包括研磨和抛光，研磨利用涂敷或压嵌在研具上的磨料颗粒，通过研具与工件在一定压力下的相对运动对加工表面进行的精整加工。抛光是利用机械、化学或电化学的作用，使工件表面粗糙度降低，以获得光亮、平整表面的加工方法。两者的主要区别在于：抛光达到的表面光洁度要比研磨更高，并且可以采用化学或者电化学的方法，而研磨基本只采用机械的方法，所使用的磨料粒度要比抛光用的更粗，即粒度大。
超精密抛光工艺在现代制造业中非常重要，其应用的领域包括：集成电路制造、医疗器械、汽车配件、数码配件、精密模具、航空航天航海等需要精细加工的领域。超精密抛光技术在现代电子工业中所要完成的使命，不仅仅是平坦化不同的材料，而且要使得几十厘米见方的硅片通过完全平坦化，在其上形成上亿万晶体管的超大规模集成电路。
超精密研磨和抛光技术，一般特指选用粒径只有几纳米到几千纳米的研磨微粉作为研磨磨料，将其注入研具，用以去除微量的工件材料，以达到一定的几何精度(一般误差在0.1μm以下)及表面粗糙度(一般Ra≤0.1-0.001μm)的方法。此类抛光技术包含了磁流体抛光和磨粒流抛光以及加压研磨抛光。其中磁流体抛光技术(MagnetorheologicalFinishing,MRF)是利用磁流体抛光液在磁场中流动和流变进行抛光的超精密加工方法。其原理是将含有一定浓度的细微磨料的磁流体抛光液注入抛光区，同时在该抛光区域形成以可控的高梯度磁场。磁流变液主要由离散的微米级磁性颗粒、载液溶剂和表长面活性剂组成，具有磁特性、流变性和稳定性等特点。在无外加磁场时，磁性微粒无规则分布，磁流变液为可流动液体状态；而在外加磁场作用下，该区域产生磁流变效应，粘度在毫秒级时间内迅速增大，形成具有一定剪切屈服应力的粘塑性介质，磁性微粒呈链状分布，其流变特性急剧转变(毫秒级)，表现为类似固体的性质，通过其与被加工表面的快速相对运动来对工件表面进行抛光处理；撤除磁场后，又会立刻恢复原液体性质。磁流体抛光技术正是利用磁流体抛光液在梯度磁场中发生流变而形成的具有粘塑行为的柔性“小磨头”与工件之间快速的相对运动，使工件表面受到很大的剪切力，从而使工件表面材料被去除。
磁流体抛光不受工件表面形状限制，对工件表面压力小，不会造成亚表面损伤，材料去除加工操作结果稳定和均匀，可控性高。总体具有抛光精度高，无刀具磨损、堵塞现象，去除率高且不引入亚表面损伤等优点，可实现近零亚表面损伤和纳米级精度抛光，通常可作为光学零件加工的最后一道工序，可以用于用于航空航天、医疗、电子集成电路等领域受使用环境的限制对管件内部的表面粗糙度要求很高的领域。作为一种核心技术，属于集成电路晶圆制造领域的关键技术之一，也就是说，无论是医疗器械，还是航空、航天、航海和集成电路等行业都离不开这种超精密抛光技术。
但是磁流体抛光技术是一种精密加工技术，存在去除效率低、去除均匀性低的问题。如何增强抛光效率和均匀性是一个需要改进的问题。现有技术中专利中CN201910409317.3和CN201010227892.0也对此进行了研究，但并没有彻底解决。
除了磁流体抛光，还有磨粒流抛光去毛刺工艺，冶具夹持工件后，以上下往复挤压方式使磨料流经加工件表面、交叉孔或端角依需求进行去毛边、抛光或倒角加工，可依时间及流量计算机控制，达到全自动、经济高效率抛光，其抛光痕迹和工件使用的方向一致，因此具有同方向性加工特点。比如专利CN99126912.8申请日期：1999年12月21日和专利CN201921822320.X申请日期：20191028，对此进行了描述。这方法对于要抛光的工件外形存在限制，必须是直管或者锥口形状，而且磨粒流只能向着一个方向磨削抛光，抛光精度也因此受限，同方向加工限制了其可抛光的部件形状结构应用范围。同样加压研磨抛光只能适用于平面形状结构的部件抛光加工，也是在加工部件或者元件外形结构上受限的。而磁流体抛光不受形状和结构限制，尤其适用于3D打印形成的多孔复杂形状部件或者工，同时抛光加工精度也更高。
随着科学技术的发展，光学、机械、电子等学科交叉的各种系统被制造出来，为保证系统中关键元件的高质量和高性能，人们对加工精度的要求也越来越高。运用超精密研磨和抛光技术不仅可以获得电子、光学、电路元件的高性能，制造大规模集成电路的硅片、水晶振子基片等晶体基片，满足特殊材料极小的表面粗糙度、极高的平面度和超平滑的表面的要求，还可达到材料两端面严格平行、表面无变质层等高性能，并且最终达到纳米级或更高的加工精度和无损伤的表面加工质量。
磁流体抛光的目标一是为追求降低表面粗糙度或提高尺寸精度，二是为实现功能材料元件的功能，要求解决与高精度相匹配的表面粗糙度和极小的变质层问题。另外，对于单晶材料的加工，同时还要求平面度、厚度和晶相的定向精度等。对于电子材料的加工，除了要求高形状精度外，还必须达到物理或结晶学的无损伤理想镜面。正是由于其独特的长处，众多材料的最终加工均采用超精密平面研磨抛光、磨粒流抛光和磁流体抛光技术，或者两者分别完成其中一个阶段，而且磁流体抛光一般精度更高。
一般研磨抛光磨粒流和加压研磨抛光加工，加工效率高，但是抛光光洁度和精度有限，无法适应复杂曲面部件或者多孔元件抛光，磨粒流抛光，抛光效率高，光洁度和精度较高，但是无法抛光复杂曲面，只能是抛光简单平面或者管状、锥状口结构；磁流体抛光抛光光洁度和精度高，可适应复杂曲面抛光，抛光精度很高，是一般抛光的加工的最后一道工序，但是总体抛光效率较低，而且具有磁性的颗粒硬度有限，无法抛光硅片等硬质高的材料，或者硬度高的材料抛光效率很低。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种采用磁性和非磁性纳米颗粒混合驱动的行星式抛光方法，在容器中加入液体溶剂、磁性纳米颗粒和非磁性纳米颗粒；采用机械搅拌器对混合溶液进行搅拌，让溶液整体流动；同时对容器中溶液，施加一个旋转磁场，旋转磁场与机械搅拌器的搅拌桨可以成0-180°的角度，搅拌桨带动两种纳米颗粒做旋转运动，同时磁性纳米颗粒还沿着施加的磁场驱动力方向运动，磁性颗粒同时沿着两者作用力的合力运动，做类行星运动。
把待抛光部件或者元件放入溶液中，随着液体流动，磁性和非磁性两种纳米颗粒沿不同方向碰撞磨削待抛光部件表面，对带抛光部件表面起到磨削抛光加工的作用。磁性颗粒运动方向于非磁性颗粒有差异，可以导致抛光磨削角度的多样化和更对随机性，实验结果表明可以获等更高的抛光光洁度，而且还可以继续适用于复杂曲面的抛光。很多3D打印部件或者微细结构部件，拥有复杂的曲面或者多孔结构，本发明的研磨方法尤其适用。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括如下步骤：
步骤1：在容器中加入液体溶剂；所述液体溶剂对待抛光部件及加入的磁性和非磁性纳米颗粒无腐蚀性且不产生化学反应；
步骤2：在容器中加入磁性纳米颗粒，颗粒粒径的范围为1nm到100μm；
步骤3：在容器中加入非磁性纳米颗粒，颗粒粒径的范围为1nm到100μm，所述非磁性纳米颗粒硬度高于待抛光部件；
步骤4：采用机械搅拌器对混合溶液进行搅拌，让溶液整体流动；
步骤5：对容器中溶液施加一个旋转磁场，旋转磁场与机械搅拌器的搅拌桨的夹角为θ∈[0°,180°]；溶液中的磁性纳米颗粒被旋转磁场带动，沿磁场驱动力方向运动；当磁场驱动磁性纳米颗粒的方向与搅拌方向一致时，θ＝0°；当磁场驱动磁性纳米颗粒的方向与搅拌方向相反时，θ＝180°；
步骤6：搅拌桨带动两种纳米颗粒做旋转运动，而溶液中的磁性纳米颗粒在搅拌桨的作用下旋转运动的同时，还沿着磁场驱动力方向运动，磁性纳米颗粒的运行轨迹为类行星式运动轨迹；
步骤7：把待抛光部件放入溶液中，随着液体流动，磁性和非磁性两种纳米颗粒沿不同方向碰撞待抛光部件表面，对带抛光部件表面起到磨削抛光的作用；磁性纳米颗粒的类行星式运动轨迹会产生更多碰撞，形成更多磨削抛光角度的作用，从而提高抛光均匀性，也提高整体平均抛光精度和光洁度。
优选地，所述磁性纳米颗粒为含磁性的铁磁材料、稀土永磁材料和铁氧体材料中的一种或数种混合。
优选地，所述磁性纳米颗粒为四氧化三铁磁性颗粒、四氧化三钴磁性颗粒、锰钴镍铁复合氧化物磁性颗粒、氧化镍磁性颗粒和铁酸钡的铁氧体磁性颗粒中的一种或数种混合。
优选地，所述待抛光部件的材质为合金、钢材、陶瓷、塑料或复合材料。
优选地，所述非磁性纳米颗粒为碳化硅颗粒、钻石微粉颗粒、氧化锆及其稀土固溶体复合氧化物、氧化铈微粉颗粒、氧化铝颗粒及包括其他氮化物、碳化物、硼化物微粉颗粒中的一种或数种混合。
优选地，所述磁性纳米颗粒和非磁性纳米颗粒的粒径为1nm-10nm时，能获得抛光精度最优达到表面粗糙度Ra<1nm的表面。
优选地，所述磁性纳米颗粒和非磁性纳米颗粒的粒径为1nm-50nm时，能获得抛光精度最优达到表面粗糙度Ra<20nm的表面。
优选地，所述溶液中磁性和非磁性纳米颗粒重量与溶剂体积比为1：0.1～10000,溶剂最小量能使纳米颗粒运动，为泥浆状非牛顿流体或者固体和液体混合溶液牛顿流体。
本发明的有益效果如下：
本发明采用磁性颗粒和非磁性颗粒两类磨料混合溶液，也可以超过两种的多种颗粒混合，采用磁场驱动和机械搅拌共同驱动作用，来实现对于元件、工件或者部件的表面磨削抛光。搅拌的强化可以实现研磨液运动流量和速度大幅提升，提高每分钟磨料微粉颗粒与部件碰撞磨削次数，相当于提高了单位时间研磨抛光效率；同时，由于几纳米到几千纳米的研磨微粉采用两类不同性质的颗粒，一种有磁性，一种没有磁性，而外加磁场可以实现对于磁性颗粒的旋转运动，实际增加了颗粒不同运动的磨削角度多样性，可以有效提高抛光的均匀性。本发明方法的实际抛光效率优于现有的纯粹磁力场磁流体抛光，同时均匀性优于现有的旋转研磨抛光。
附图说明
图1为本发明方法具体实施示意图。
图中：1-搅拌器，2-旋转磁力驱动装置，3-溶剂，4-磁性纳米颗粒，5-非磁性纳米颗粒。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
本发明采用磁性纳米颗粒和其他非磁性纳米颗粒混合的液体，在机械搅拌和磁力搅拌两种驱动方式同时进行，将待加工部件放入液体中，搅拌带动液体旋转运动，同时磁力搅拌带动磁性纳米颗粒运动，两种纳米颗粒运动成0-180度的夹角，纳米颗粒碰撞待加工部件表面或者内表面，实现对于加工部件或者零件的研磨磨削抛光。
一种采用磁性和非磁性纳米颗粒混合驱动的行星式抛光方法，包括如下步骤：
步骤1：在容器中加入液体溶剂；所述液体溶剂对待抛光部件及加入的磁性和非磁性纳米颗粒无腐蚀性且不产生化学反应；
步骤2：在容器中加入磁性纳米颗粒，磁性纳米颗粒为含磁性的铁磁材料、稀土永磁材料和铁氧体材料中的一种或数种混合，颗粒粒径的范围为1nm到100μm；
步骤3：在容器中加入非磁性纳米颗粒，材质不限，颗粒粒径的范围为1nm到100μm，所述非磁性纳米颗粒硬度高于待抛光部件；
具体磁性和非磁性纳米颗粒选择可以根据硬度和粒径大小来选择不同颗粒组合；如果要实现高精度抛光，所用的磁性颗粒和非磁性颗粒粒径越小越好，推荐粒径为1nm-50nm，这样能获得抛光精度表面粗糙度最高达到Ra小于0.1nm的表面。
步骤4：采用机械搅拌器对混合溶液进行搅拌，让溶液整体大流量流动；
步骤5：对容器中溶液施加一个旋转磁场，旋转磁场与机械搅拌器的搅拌桨的夹角为θ∈[0°,180°]；溶液中的磁性纳米颗粒被旋转磁场带动，沿磁场驱动力方向运动；当磁场驱动磁性纳米颗粒的方向与搅拌方向一致时，θ＝0°；当磁场驱动磁性纳米颗粒的方向与搅拌方向相反时，θ＝180°；
步骤6：搅拌桨带动两种纳米颗粒做旋转运动，而溶液中的磁性纳米颗粒在搅拌桨的作用下旋转运动的同时，还沿着磁场驱动力方向运动，磁性纳米颗粒的运行轨迹为类行星式运动轨迹；
步骤7：把待抛光部件放入溶液中，随着液体流动，磁性和非磁性两种纳米颗粒沿不同方向碰撞待抛光部件表面，对带抛光部件表面起到磨削抛光的作用；磁性纳米颗粒的类行星式运动轨迹会产生更多碰撞，形成更多磨削抛光角度的作用，从而提高抛光均匀性，也提高整体平均抛光精度和光洁度；待抛光部件的材质为钢材、陶瓷或塑料。
所述磁性纳米颗粒为含磁性的铁磁材料、稀土永磁材料和铁氧体材料中的一种或数种混合。主要特征是具有铁磁性的颗粒，颗粒粒度1nm到100μm，以1-200nm粒径的颗粒为佳。例如：磁性纳米颗粒为四氧化三铁磁性颗粒、四氧化三钴磁性颗粒、锰钴镍铁复合氧化物磁性颗粒、汝铁硼磁体、氧化镍磁性颗粒和铁酸钡的铁氧体磁性颗粒中的一种或数种混合。
所述非磁性纳米颗粒为碳化硅颗粒、钻石微粉颗粒、氧化锆及其稀土固溶体复合氧化物物、氧化铈微粉颗粒和氧化铝颗粒，好包括其他氮化物、碳化物、硼化物等微粉颗粒中的一种或数种混合。非磁性颗粒粒度主要是，颗粒粒度为1nm到100μm，以1nm到10μm为佳。
具体实施例：
实施例1：把50纳米粒径的四氧化三铁磁性颗粒加入塑料桶中，再加入20纳米粒径的碳化硅颗粒，然后加入溶剂丙酮，丙酮溶液体积要完全淹没颗粒，颗粒重量和溶剂体积比(1:5)。然后将桶中加上搅拌器，在桶的外围加上旋转磁场。把要抛光的电子元件浸泡于溶液中。改变搅拌速度，磁场旋转周期和过程时间，就可以获得高光洁度表面的工件或者元件。
实施例2：把30纳米粒径的四氧化三钴磁性颗粒加入塑料桶中，再加入500纳米粒径的钻石微粉颗粒，然后加入溶剂甲醇，甲醇溶液体积要完全淹没颗粒，颗粒重量和溶剂体积比(1:10)。然后将桶中加上搅拌器，在桶的外围加上旋转磁场。把要抛光的电子元件浸泡于溶液中。改变搅拌速度，磁场旋转周期和过程时间，就可以获得高光洁度表面的工件或者元件。
实施例3：把10纳米粒径的锰钴镍铁复合氧化物磁性颗粒加入塑料桶中，再加入20纳米粒径的碳化硅颗粒，然后加入溶剂环己烷，环己烷溶液体积要完全淹没颗粒，颗粒重量和溶剂体积比(1:5)。然后将桶中加上搅拌器，在桶的外围加上旋转磁场。把要抛光的电子元件浸泡于溶液中。改变搅拌速度，磁场旋转周期和过程时间，就可以获得高光洁度表面的工件或者元件。
实施例4：把20纳米粒径的氧化镍磁性颗粒加入塑料桶中，再加入30纳米粒径的氧化铈微粉颗粒，然后加入甲醇和乙醇混合溶剂，甲醇溶液体积要完全淹没颗粒，颗粒重量和溶剂体积比(1:3)。然后将桶中加上搅拌器，在桶的外围加上旋转磁场。把要抛光的电子元件浸泡于溶液中。改变搅拌速度，磁场旋转周期和过程时间，就可以获得高光洁度表面的工件或者元件。
实施例5：把200纳米粒径的的铁酸钡的铁氧体磁性颗粒加入塑料桶中，再加入把100纳米粒径的氧化铝颗粒，然后加入溶剂水中，水溶液体积要完全淹没，颗粒重量和溶剂体积比(1:2)。然后将桶中加上搅拌器，在桶的外围加上旋转磁场。把要抛光的电子元件浸泡于溶液中。改变搅拌速度，磁场旋转周期和过程时间，就可以获得高光洁度表面的工件或者元件。
实施例6：把30纳米粒径的的四氧化三钴磁性颗粒加入塑料桶中，再加入500纳米粒径的钻石微粉颗粒，然后加入四氯化碳溶液，四氯化碳溶液体积要完全淹没颗粒，颗粒重量和溶剂体积比(1:6)。然后将桶中加上搅拌器，在桶的外围加上旋转磁场。把要抛光的电子元件浸泡于溶液中。改变搅拌速度，磁场旋转周期和过程时间，就可以获得高光洁度表面的工件或者元件。
实施例7：把30纳米粒径的的铁酸钡磁性颗粒加入塑料桶中，再加入500纳米粒径的二氧化硅微粉颗粒，然后加入水溶液，溶液水的体积要完全淹没颗粒，颗粒重量和溶剂水体积比(1:1)。然后将桶中加上搅拌器，在桶的外围加上旋转磁场。把要抛光的不锈钢元件浸泡于水溶液中。改变搅拌速度，磁场旋转周期和过程时间，就可以获得高光洁度表面的工件或者元件。
实施例8：把30纳米粒径的的铁酸钡磁性颗粒加入容器中，再加入150纳米粒径的金刚石微粉颗粒，然后加入水溶液，溶液水的体积要完全淹没颗粒，颗粒重量和溶剂水体积比(1:1.5)。然后将桶中加上搅拌器，在桶的外围加上旋转磁场。把要抛光的硅片工件浸泡于水溶液中。改变调整颗粒重量和溶剂水的配比、搅拌速度、磁场旋转周期、磁场方向和抛光过程时间，就可以获得高光洁度表面的工件或者元件。
本发明方法的实际抛光效率优于现有的纯粹磁力场磁流体抛光，抛光精度不低于磁流体抛光；同时抛光加工均匀性和抛光精度优于现有的加压压力研磨抛光或者磨粒流抛光。
Claims (8)
1.一种采用磁性和非磁性纳米颗粒混合驱动的行星式抛光方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：在容器中加入液体溶剂；所述液体溶剂对待抛光部件及加入的磁性和非磁性纳米颗粒无腐蚀性且不产生化学反应；
步骤2：在容器中加入磁性纳米颗粒，颗粒粒径的范围为1nm到100μm；
步骤3：在容器中加入非磁性纳米颗粒，颗粒粒径的范围为1nm到100μm，所述非磁性纳米颗粒硬度高于待抛光部件；
步骤4：采用机械搅拌器对混合溶液进行搅拌，让溶液整体流动；
步骤5：对容器中溶液施加一个旋转磁场，旋转磁场与机械搅拌器的搅拌桨的夹角为θ∈[0°,180°]；溶液中的磁性纳米颗粒被旋转磁场带动，沿磁场驱动力方向运动；当磁场驱动磁性纳米颗粒的方向与搅拌方向一致时，θ＝0°；当磁场驱动磁性纳米颗粒的方向与搅拌方向相反时，θ＝180°；
步骤6：搅拌桨带动两种纳米颗粒做旋转运动，而溶液中的磁性纳米颗粒在搅拌桨的作用下旋转运动的同时，还沿着磁场驱动力方向运动，磁性纳米颗粒的运行轨迹为类行星式运动轨迹；
步骤7：把待抛光部件放入溶液中，随着液体流动，磁性和非磁性两种纳米颗粒沿不同方向碰撞待抛光部件表面，对带抛光部件表面起到磨削抛光的作用；磁性纳米颗粒的类行星式运动轨迹会产生更多碰撞，形成更多磨削抛光角度的作用，从而提高抛光均匀性，也提高整体平均抛光精度和光洁度。
2.根据权利要求1所述的一种采用磁性和非磁性纳米颗粒混合驱动的行星式抛光方法，其特征在于，所述磁性纳米颗粒为含磁性的铁磁材料、稀土永磁材料和铁氧体材料中的一种或数种混合。
3.根据权利要求1所述的一种采用磁性和非磁性纳米颗粒混合驱动的行星式抛光方法，其特征在于，所述磁性纳米颗粒为四氧化三铁磁性颗粒、四氧化三钴磁性颗粒、锰钴镍铁复合氧化物磁性颗粒、氧化镍磁性颗粒和铁酸钡的铁氧体磁性颗粒中的一种或数种混合。
4.根据权利要求1所述的一种采用磁性和非磁性纳米颗粒混合驱动的行星式抛光方法，其特征在于，所述待抛光部件的材质为合金、钢材、陶瓷、塑料或复合材料。
5.根据权利要求1所述的一种采用磁性和非磁性纳米颗粒混合驱动的行星式抛光方法，其特征在于，所述非磁性纳米颗粒为碳化硅颗粒、钻石微粉颗粒、氧化锆及其稀土固溶体复合氧化物、氧化铈微粉颗粒、氧化铝颗粒及包括其他氮化物、碳化物、硼化物微粉颗粒中的一种或数种混合。
6.根据权利要求1所述的一种采用磁性和非磁性纳米颗粒混合驱动的行星式抛光方法，其特征在于，所述磁性纳米颗粒和非磁性纳米颗粒的粒径为1nm-10nm时，能获得抛光精度最优达到表面粗糙度Ra<1nm的表面。
7.根据权利要求1所述的一种采用磁性和非磁性纳米颗粒混合驱动的行星式抛光方法，其特征在于，所述磁性纳米颗粒和非磁性纳米颗粒的粒径为1nm-50nm时，能获得抛光精度最优达到表面粗糙度Ra<20nm的表面。
8.根据权利要求1所述的一种采用磁性和非磁性纳米颗粒混合驱动的行星式抛光方法，其特征在于，所述溶液中磁性和非磁性纳米颗粒重量与溶剂体积比为1：0.1～10000,溶剂最小量能使纳米颗粒运动，为泥浆状非牛顿流体或者固体和液体混合溶液牛顿流体。
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