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浮法抛光超光滑表面加工技术
2006年7月27日 9:16  

浮法抛光技术首先出现于日本,是加工超光滑表面的先进技术之一。本文介绍用浮法抛光加工超光滑表面的机械结构和加工过程,与传统的沥青抛光方法进行比较,分析材料去除机理。最后简单介绍我国研究浮法抛光技术的进展。

一、浮法抛光技术的产生与现状

光学零件的加工基本包括切割成型、研磨、抛光三道工序;最终的光学表面质量由抛光决定,因此抛光是最重要的工序。通常高质量光滑表面的抛光是以沥青或纤维等弹性材料作磨盘,配以抛光液或研磨膏来达到技术要求。

近年来,光学及微电子学极大地推动了光学加工技术的发展。大规模或超大规模集成电路对所用基片(通常为硅、锗等材料)的表面精度提出了很高的要求;短波段光学的发展尤其是强激光技术的出现,对光学元件表面粗糙度的要求极为苛刻。表面粗糙度低于1nm rms的超光滑表面加工技术已成为光学及微电子学基础技术领域的重要课题。靠传统的经验依赖性的光学加工方法是不能满足日益发展的光学、电子学要求的。国内外已有许多科学家在探索加工高精度超光滑表面的各种技术。一般原子直径小于0.3nm,而超光滑表面微观起伏的均方根值为几个原子的尺寸,因此实现超光滑表面加工的关键在于实现表面材料原子量级的去除。

1997年,日本大坂大学的难波义治教授发明了浮法抛光(Float Polishing)加工超光滑表面技术。通过使用这项技术,可使刚玉单晶的平面面形达到λ/20,表面粗糙度低于1nm Rz。1987年的研究报告表明,使用浮法技术进行多种材料的抛光实验,对φ180mm的工作,可以达到表面粗糙度优于o.2nm rms,平面度优于λ/20=0.03μm。

目前在日本,浮法抛光技术应用很广泛,尤其是用于录音机、录像机或计算机的磁头生产;每年有2500万个磁头就是采用这项技术制造的。近年来,德国也在研究类似抛光技术。德国Ulm大学的欧威(O. Weis)研究表明,对白宝石材料的φ7mm的工件进行抛光,30分钟后达到表面粗糙度小于0.05nm的结果。

将浮法抛光样品与普通抛光样品比较可以发现浮法抛光有许多优点。普通沥青式抛光使用硬度大于工件的磨料,也可以获得所谓超光滑表面的粗糙度指标,但对磨盘的平面度的修正很有讲究,这影响到被抛光工件的面形。普通抛光后的工件,其边缘几何尺寸总不太好,经常有塌边或翘边现象;并且在高倍显微镜下可以看到表面有塑性畸变层。

应用浮法抛光法技术获得的超光滑表面,不仅具有较好的表面粗糙度和边缘几何形状,而且抛光晶体面有理想完好的晶格,亚表面没有破坏层,并且由抛光引起的表面残余应力极小。

二、浮法抛光机的机械结构与抛光过程

浮法抛光机的机械构造类似于定摆抛光机。在对工件进行浮法抛光前,被加工工件首先要进行预抛光,干燥。就可以浮法抛光。

抛光过程中,抛光液随磨盘旋转;由于流体运动产生动压,工件与磨盘之间形成一层薄薄的液膜,使得工件浮在磨盘上旋转,保持软接触。液体旋转时的离心作用使抛光液中粒度稍大的颗粒被甩到四周,并渐渐沉到底部,这样夹在磨盘与工件间的液膜中的磨料越来越精细均匀;被加工光学表面越来越光滑,最后达到超光滑。

工件的面形主要由磨盘面形决定,浮法抛光中,由于锡材料本身的特性,其硬度及流动性适中,在抛光中锡盘的磨损可以忽略,因而锡盘的平面度是很容易控制的;这样保证了工件面形的稳定性。传统抛光的经验性主要是由于沥青盘的抛光中变形决定的;使用锡盘后,这种经验性抛光就可以成为稳定抛光。

三、浮法抛光的去除机理

浮法抛光表面粗糙度可达到亚纳米量级,接近原子尺寸,工件材料的去除是原子水平上进行的。工件表面原子在磨料微粒的撞击作用下脱离工件主体,从而被去除。原子的去除过程,是磨料与工件在原子水平的碰撞、扩散、填补过程。

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