CN116494026A - 一种面向硬脆元件的电化学催化原子级柔性抛光方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种面向硬脆元件的电化学催化原子级柔性抛光方法，属于超精密加工领域，其将硬脆元件浸没于含催化磨粒的抛光液中，对硬脆元件施加电位，诱导催化磨粒表面原子、抛光液介质原子和硬脆元件表层原子形成化学键；用旋转的柔性工具靠近硬脆元件的抛光面，带动抛光液流动，用流动的抛光液剪切化学键，使硬脆元件抛光面表层原子背键断裂，进而对硬脆元件的抛光面进行抛光。本发明涉及的抛光方法所使用的催化磨粒的催化作用仅影响工件表面的第一层原子，能够获得单原子层的抛光精度，同时可以获得极高的材料去除率，材料去除更加均匀，使用硬度远低于工件的催化磨粒进行非接触式抛光，不依赖机械作用，避免了表面划痕及亚表面损伤等难题。
Description
技术领域
本发明涉及超精密加工领域，尤其涉及一种面向硬脆元件的电化学催化原子级柔性抛光方法。
背景技术
国防军工、航空航天、卫星通信和集成电路等领域对硬脆复杂曲面元件的需求日益增多，对其超精密制造技术提出了更高的要求。传统接触式抛光方法，如数控小磨头抛光、气囊抛光等，由于高度依赖机械作用，虽然材料去除率高但难以兼具原子级表面质量，且不能完全避免亚表面损伤；传统非接触式抛光方法，如离子束抛光、电子束抛光和磁流变抛光等，依靠高能离子束、电子束或磁场驱动的流变液等介质直接去除工件表面材料，几乎无机械作用，可避免亚表面损伤，能达到亚纳米级粗糙度，但材料去除率低，且存在诸多技术难点需要攻克，如控制难度高、设备条件严格、成本高昂和专利封锁等。
为解决高表面质量和高材料去除率不可兼得的难题，有学者提出电化学抛光方法，如申请公布号为CN 110106545 A的中国专利申请公布的镍钛合金电化学抛光液以及使用该抛光液的镍钛合金表面处理方法。该抛光液是由体积分数为70％的高氯酸与溶剂按照1：11至1：16的体积比混合后以12g/L的比例添加缓蚀剂后得到的，其中的溶剂为正丁醇或无水乙醇，缓蚀剂为草酸或柠檬酸。传统的电化学抛光方法大多先氧化表面、后去除氧化层，但在加工硬脆复杂曲面元件时，由于材料各向异性、面形曲率变化、加工精度要求高等因素无法胜任。其次，电化学抛光方法一般需要在抛光液中额外加入强氧化剂以增强氧化反应，进而增大去除率。根据氧化剂的类别不同，可分为酸性氧化剂和碱性氧化剂。有学者在抛光液中加入高锰酸钾、双氧水等酸性氧化剂用于氧化表面，加入氢氟酸、硝酸等溶液直接溶解氧化物，由于材料具有各向异性，化学反应不可控，导致抛光后工件表面出现不规则的凸点和凹坑，最终难以达到原子级平整；也有学者先使用过氧化钠、次氯酸钠等碱性氧化剂氧化表面，后依靠金刚石、二氧化硅、二氧化铈等一种或多种磨粒的机械作用去除表面氧化物，最后在抛光液的不断流动、冲洗作用下露出新鲜表面并重复前两个步骤进行抛光，但这种方法需要化学反应和机械作用达到很好的平衡，且由于磨粒硬度较高，在抛光过程中不可避免地出现表面划痕、亚表面损伤等问题。另外，上述两种电化学抛光方法均会使用环境不友好的强氧化剂、强酸和强碱等，不符合当下绿色制造的发展理念。
发明内容
本发明的目的在于提供一种面向硬脆元件的电化学催化原子级柔性抛光方法，以解决现有电化学抛光方法针对硬脆材料时无法同时满足高表面质量和高材料去除率、抛光液对环境不友好等技术问题。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：
本发明涉及一种面向硬脆元件的电化学催化原子级柔性抛光方法，其将硬脆元件浸没于含催化磨粒的抛光液中，诱导催化磨粒表面原子、抛光液介质原子和硬脆元件表层原子形成化学键；用旋转的柔性工具靠近硬脆元件的抛光面，带动抛光液流动，用流动的抛光液剪切化学键，使硬脆元件抛光面表层原子背键断裂，进而对硬脆元件的抛光面进行抛光。
优选地，其包括以下步骤：
步骤1：将硬脆元件固定在容器内的导电托盘上；
步骤2：向容器内加入含催化磨粒的抛光液并完全浸没硬脆元件，诱导催化磨粒表面原子、抛光液介质原子和硬脆元件表层原子形成化学键；
步骤3：将旋转的柔性工具伸入抛光液中并靠近硬脆元件的抛光面，用流动的抛光液剪切柔性工具附近的抛光面表层原子，使其背键断裂，以对抛光面上某个抛光点进行抛光，沿着硬脆元件的抛光面移动柔性工具，直至整个抛光面完成抛光。
优选地，所述的催化磨粒为镀有具备催化活性的金属的纳米磨粒、掺有非金属元素的复合磨粒、具有电化学催化活性的掺杂金属氧化物磨粒中的一种或多种组合。
优选地，所述的催化磨粒的莫氏硬度低于6。
优选地，所述的抛光液为含催化磨粒的水，环境友好，符合当下绿色制造的发展理念。
优选地，所述的步骤2向容器内加入含催化磨粒的抛光液并完全浸没硬脆元件后，对硬脆元件施加-20V～+20V的电位，以提升形成化学键的效果。
优选地，所述的步骤1中硬脆元件通过导电胶固定在导电托盘上，通过导电胶提高导电性，进而提升电子-空穴对的分离效率，获得高材料去除率。
优选地，所述的步骤4采用柔性工具对硬脆元件的抛光面进行抛光时，给定柔性工具的转速、加工路径及每次移动后的驻留时间；其中，柔性工具每次移动后的驻留时间通过去除函数与面形误差反卷积计算，其计算公式为：
其中t(x,y)为任意位置点坐标(x,y)处的驻留时间，TIF(x,y)为该点处工具的影响函数，是反卷积符号，H(x,y)是该点处的面形误差。
优选地，所述的步骤4通过多轴联动机构移动导电托盘、移动柔性工具及改变柔性工具的倾斜角度的方式实现柔性工具相对于硬脆元件的抛光面移动，并保证柔性工具法线与抛光点的法线处于同一角度。
优选地，所述的多轴联动机构包括机架、X轴座、Y轴座、立柱、横梁、a旋转轴和b旋转轴；所述的X轴座滑动连接于机架上方，Y轴座滑动连接于X轴座上，Y轴座和X轴座均沿水平方向滑动且滑动方向相互垂直，所述的容器固定在Y轴座的上部；所述的立柱固定在机架上，横梁安装于立柱上并与立柱竖向滑动连接，所述的a旋转轴安装于横梁上，a旋转轴的转动轴与X轴座的滑动方向平行，所述的b旋转轴安装于a旋转轴上，b旋转轴的转动轴与Y轴座的滑动方向平行，所述的柔性工具安装于b旋转轴上，柔性工具的转动轴与a旋转轴的转动轴、b旋转轴的转动轴均垂直。多轴联动机构可以随意改变柔性工具与硬脆元件的之间的相对位置以及柔性工具的角度，使该方法适应于复杂曲面元件。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果如下：
1.本发明涉及的一种面向硬脆元件的电化学催化原子级柔性抛光方法先将硬脆元件浸没于含催化磨粒的抛光液中，对硬脆元件施加电位，诱导催化磨粒表面原子、抛光液介质原子和硬脆元件表层原子形成化学键；再用旋转的柔性工具靠近硬脆元件的抛光面，用流动的抛光液剪切化学键，使硬脆元件抛光面表层原子背键断裂，进而对硬脆元件的抛光面进行抛光。催化磨粒的催化作用仅影响工件表面的第一层原子，能够获得单原子层的抛光精度，同时可以获得极高的材料去除率，材料去除更加均匀。
2.本发明涉及的一种面向硬脆元件的电化学催化原子级柔性抛光方法用流动的抛光液剪切化学键，使硬脆元件抛光面表层原子背键断裂，使用硬度远低于工件的催化磨粒进行非接触式抛光，不依赖机械作用，避免了表面划痕及亚表面损伤等难题。
3.本发明涉及的一种面向硬脆元件的电化学催化原子级柔性抛光方法采用水作为抛光液，无需添加强氧化剂、强酸和强碱等，环境友好，符合当下绿色制造的发展理念。
4.本发明涉及的一种面向硬脆元件的电化学催化原子级柔性抛光方法采用多轴联动机构改变柔性工具与硬脆元件的之间的相对位置以及柔性工具的角度，使该方法适应于复杂曲面元件。
附图说明
图1是硬脆元件的电化学催化原子级柔性抛光装置示意图；
图2是未采用电增强催化的电化学催化原子级柔性抛光装置的原理图；
图3是电增强催化的电化学催化原子级柔性抛光装置的原理图。
附图说明：1-机架，2-X轴座，3-Y轴座，4-立柱，5-横梁，6-a旋转轴，7-b旋转轴，8-容器，9-导电托盘，10-柔性工具，11-电位器，12-催化磨粒，13-抛光液，14-导电胶。
具体实施方式
下面通过具体实施例，对本发明的技术方案作进一步具体的说明，实施例是对本发明的说明而作，不是对本发明的限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本发明涉及一种面向硬脆元件的电化学催化原子级柔性抛光方法，其先将硬脆元件浸没于含催化磨粒的抛光液中，诱导催化磨粒表面原子、抛光液介质原子和硬脆元件表层原子形成化学键，该过程可对硬脆元件施加合适的电位，以提升形成化学键的效果；再用旋转的柔性工具靠近硬脆元件的抛光面，带动抛光液流动，用流动的抛光液剪切化学键，使硬脆元件抛光面表层原子背键断裂，进而对硬脆元件的抛光面进行抛光。该电化学催化原子级柔性抛光方法是基于附图1所示的抛光装置进行的。
抛光装置包括多轴联动机构和容器，所述的多轴联动机构包括机架1、X轴座2、Y轴座3、立柱4、横梁5、a旋转轴6和b旋转轴7；所述的X轴座2滑动连接于机架1上方，Y轴座滑动3连接于X轴座2上，Y轴座3和X轴座2均沿水平方向滑动且滑动方向相互垂直，所述的容器8固定在Y轴座3的上部，容器8的内部固定安装有导电托盘9。所述的立柱4固定在机架1上，横梁5安装于立柱4上并与立柱4竖向滑动连接，所述的a旋转轴6安装于横梁5上，a旋转轴6的转动轴与X轴座1的滑动方向平行，所述的b旋转轴7安装于a旋转轴6上，b旋转轴7的转动轴与Y轴座3的滑动方向平行，b旋转轴7上安装有柔性工具10，该柔性工具10自带转动轴，柔性工具的转动轴与a旋转轴6的转动轴、b旋转轴7的转动轴均垂直。面向硬脆元件的电化学催化原子级柔性抛光方法包括以下步骤：
步骤1：通过导电胶14将硬脆元件固定在容器8内的导电托盘9上，所述的硬脆材料为蓝宝石、硅、碳化硅、砷化镓、氮化镓、金刚石等。
步骤2：向容器内加入含催化磨粒12的抛光液13并完全浸没硬脆元件，以诱导磨粒表层原子、抛光液介质原子和工件表层原子形成化学键；为符合当下绿色制造的发展理念，所述的抛光液13为仅含催化磨粒的水；所述的催化磨粒为镀有具备催化活性的金属的纳米磨粒、掺有非金属元素的复合磨粒、具有电化学催化活性的掺杂金属氧化物磨粒中的一种或多种组合，莫氏硬度低于6。参照附图2所示，当催化磨粒与工件表面靠近/接触时，界面的弱催化作用只能使临近的抛光液介质解离，诱导局部磨粒表层原子、抛光液介质原子和工件表层原子形成化学键，同时削弱了工件表层原子和亚层原子的化学键强度；为此，还可以给导电托盘施加-20V～+20V的电位，如图3所述，通过给样品施加合适电位，界面的电增强催化作用还能使相距较远的抛光液介质解离，诱导大范围磨粒表层原子、抛光液介质原子和工件表层原子形成化学键，同时更大程度上削弱了工件表层原子和亚层原子的化学键强度。
步骤3：给定柔性工具的转速、加工路径及每次移动后的驻留时间，将旋转的柔性工具伸入抛光液中并靠近硬脆元件的抛光面；其中，柔性工具每次移动后的驻留时间通过去除函数与面形误差反卷积计算，其计算公式为：
其中t(x,y)为任意位置点坐标(x,y)处的驻留时间，TIF(x,y)为该点处工具的影响函数，是反卷积符号，H(x,y)是该点处的面形误差；
柔性工具和硬脆元件的相对位置是结合多轴联动机构的X轴座2、Y轴座3、横梁5、a旋转轴6和b旋转轴7多轴联动改变的，即通过移动导电托盘、移动柔性工具及改变柔性工具的倾斜角度的方式实现柔性工具相对于硬脆元件的抛光面移动，并保证柔性工具法线与抛光点的法线处于同一角度。当旋转的柔性工具在某个位置停留时，旋转的柔性工具带动周围抛光液流动，用流动的抛光液剪切柔性工具附近的抛光面表层原子背键断裂，对抛光面上某个抛光点进行抛光。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种面向硬脆元件的电化学催化原子级柔性抛光方法，其特征在于：将硬脆元件浸没于含催化磨粒的抛光液中，诱导催化磨粒表面原子、抛光液介质原子和硬脆元件表层原子形成化学键；用旋转的柔性工具靠近硬脆元件的抛光面，带动抛光液流动，用流动的抛光液剪切化学键，使硬脆元件抛光面表层原子背键断裂，进而对硬脆元件的抛光面进行抛光。
2.根据权利要求1所述的面向硬脆元件的电化学催化原子级柔性抛光方法，其特征在于：其包括以下步骤：
步骤1：将硬脆元件固定在容器内的导电托盘上；
步骤2：向容器内加入含催化磨粒的抛光液并完全浸没硬脆元件，诱导催化磨粒表面原子、抛光液介质原子和硬脆元件表层原子形成化学键；
步骤3：将旋转的柔性工具伸入抛光液中并靠近硬脆元件的抛光面，用流动的抛光液剪切柔性工具附近的抛光面表层原子，使其背键断裂以对抛光面上某个抛光点进行抛光，沿着硬脆元件的抛光面移动柔性工具，直至整个抛光面完成抛光。
3.根据权利要求1或2所述的面向硬脆元件的电化学催化原子级柔性抛光方法，其特征在于：所述的催化磨粒为镀有具备催化活性的金属的纳米磨粒、掺有非金属元素的复合磨粒、具有电化学催化活性的掺杂金属氧化物磨粒中的一种或多种组合。
4.根据权利要求3所述的面向硬脆元件的电化学催化原子级柔性抛光方法，其特征在于：所述的催化磨粒的莫氏硬度低于6。
5.根据权利要求1或2所述的面向硬脆元件的电化学催化原子级柔性抛光方法，其特征在于：所述的抛光液为含催化磨粒的水。
6.根据权利要求2所述的面向硬脆元件的电化学催化原子级柔性抛光方法，其特征在于：所述的步骤2向容器内加入含催化磨粒的抛光液并完全浸没硬脆元件后，对硬脆元件施加-20V～+20V的电位。
7.根据权利要求2所述的面向硬脆元件的电化学催化原子级柔性抛光方法，其特征在于：所述的步骤1中硬脆元件通过导电胶固定在导电托盘上。
8.根据权利要求2所述的面向硬脆元件的电化学催化原子级柔性抛光方法，其特征在于：所述的步骤3采用柔性工具对硬脆元件的抛光面进行抛光时，给定柔性工具的转速、加工路径及每次移动后的驻留时间；其中，柔性工具每次移动后的驻留时间通过去除函数与面形误差反卷积计算，其计算公式为：
其中t(x,y)为任意位置点坐标(x,y)处的驻留时间，TIF(x,y)为该点处工具的影响函数，是反卷积符号，H(x,y)是该点处的面形误差。
9.根据权利要求2所述的面向硬脆元件的电化学催化原子级柔性抛光方法，其特征在于：所述的步骤3通过多轴联动机构移动导电托盘、移动柔性工具及改变柔性工具的倾斜角度的方式实现柔性工具相对于硬脆元件的抛光面移动，并保证柔性工具法线与抛光点的法线处于同一角度。
10.根据权利要求9所述的面向硬脆元件的电化学催化原子级柔性抛光方法，其特征在于：所述的多轴联动机构包括机架、X轴座、Y轴座、立柱、横梁、a旋转轴和b旋转轴；所述的X轴座滑动连接于机架上方，Y轴座滑动连接于X轴座上，Y轴座和X轴座均沿水平方向滑动且滑动方向相互垂直，所述的容器固定在Y轴座的上部；所述的立柱固定在机架上，横梁安装于立柱上并与立柱竖向滑动连接，所述的a旋转轴安装于横梁上，a旋转轴的转动轴与X轴座的滑动方向平行，所述的b旋转轴安装于a旋转轴上，b旋转轴的转动轴与Y轴座的滑动方向平行，所述的柔性工具安装于b旋转轴上，柔性工具的转动轴与a旋转轴的转动轴、b旋转轴的转动轴均垂直。
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