專利名稱：應(yīng)用納米膠體射流拋光元件表面的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種應(yīng)用膠體射流拋光元件的方法。
背景技術(shù)：
隨著現(xiàn)代短波光學(xué)、強(qiáng)光光學(xué)、電子學(xué)及薄膜科學(xué)的發(fā)展，對元件提出超
光滑表面的要求，要求表面粗糙度小于lnmRms。具有較低的表面波紋度以及 較高的面形精度；表面疵病與亞表面損傷盡可能減少，表面殘余的加工應(yīng)力極 ??；晶體表面具有完整的晶格結(jié)構(gòu)，表面無晶格位錯。
非球面器件(尤其是小曲率半徑非球面和自由曲面器件)的超光滑表面加 工技術(shù)是目前光學(xué)加工所面臨的巨大難題。依靠傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)依賴性的光學(xué)加工 方法已無法滿足日益發(fā)展的光學(xué)、電子學(xué)對表面要求。各個國家都十分注重研 究和開發(fā)新型精密研磨和拋光方法，進(jìn)而出現(xiàn)了許多新的拋光加工方法，其中 以機(jī)械去除為主的有計算機(jī)控制小工具拋光和應(yīng)力拋光；以流體動力去除為主 有磁流變拋光和水射流拋光；以物理碰撞和化學(xué)腐蝕去除為主的有離子束拋光 和等離子體化學(xué)氣化加工；以機(jī)械化學(xué)綜合去除的有化學(xué)機(jī)械拋光和彈性發(fā)射 加工。以上各方法中，以機(jī)械方式去除和以流體動力去除的拋光方法，在加工 過程中會在元件表面引入晶格缺陷及殘余應(yīng)力，從而影響最終元件表面的粗糙 度，達(dá)不到光滑表面的要求；離子束拋光和等離子體化學(xué)氣化加工及彈性發(fā)射 加工，雖可以達(dá)到原子級的超光滑表面，但其設(shè)備價格昂貴，拋光成本高；化 學(xué)機(jī)械拋光主要應(yīng)用于較大平面的平整，不適宜加工非球曲面及小區(qū)率自由曲 面。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有的拋光方法難以使元件表面達(dá)到超光滑表 面的要求或能達(dá)到超光滑表面的要求但加工成本過高的問題，提供了一種應(yīng)用 納米膠體射流拋光元件表面的方法。
本發(fā)明應(yīng)用納米膠體射流拋光元件表面的方法如下在射流壓力為
0.1MPa 10MPa、噴射速度為10~200m/s的條件下將納米膠體噴射于元件表面；其中所述的納米膠體的動力粘度為0.001~0.02N's/m2、 pH值為8~12。
上述的納米膠體按重量份數(shù)由0.5~15份的納米顆粒、85~99份去離子水、 0.1~0.2份pH值調(diào)節(jié)劑、0.2 1份分散劑和0.05-0.2份聚丙烯酸鈉制成，其中 所述的納米顆粒的粒徑為50nm以下；上述的納米顆粒為無機(jī)納米顆粒；上述 的無機(jī)納米顆粒為納米二氧化硅顆粒、納米二氧化鈦顆粒、納米氧化鈰顆?；?納米氧化鋁顆粒；上述的pH值調(diào)節(jié)劑為AMP 95pH值調(diào)節(jié)劑或AMP 96pH值 調(diào)節(jié)劑；上述的分散劑為聚羧酸鈉鹽型分散劑或聚丙烯酸鹽型分散劑。
所述的納米膠體的制備方法如下按重量份數(shù)首先將85-99份的去離子 水、0.1-0.2份的pH值調(diào)節(jié)劑、0.2 1份的分散劑和0.05 0.2份的聚丙烯酸鈉 混合制得pH值基液，然后以10~60轉(zhuǎn)/分鐘的攪拌速度將0.5 15份的納米顆 粒加入到pH值基液中制得混合液，再以120~300轉(zhuǎn)/分鐘的攪拌速度將混合 液攪拌5~20分鐘后在頻率為10~40KHz的條件下將混合液超聲波分散5 30 分鐘，即得納米膠體。上述的納米顆粒為無機(jī)納米顆粒；上述的無機(jī)納米顆粒 為納米二氧化硅顆粒、納米二氧化鈦顆粒、納米氧化鈰顆?；蚣{米氧化鋁顆粒； 上述的pH值調(diào)節(jié)劑為AMP 95pH值調(diào)節(jié)劑或AMP 96pH值調(diào)節(jié)劑。
本發(fā)明方法適用于光學(xué)玻璃、微晶玻璃、半導(dǎo)體材料及單晶材料等硬 脆材料的超精密、超光滑拋光，經(jīng)過拋光后元件表面粗糙度小于lnm (Rms)，達(dá)到了超光滑表面的要求。本發(fā)明所用的納米膠體配制方法簡單， 原材料容易獲取，成本低，且可重復(fù)利用，拋光過程中對加工環(huán)境沒有嚴(yán)苛要 求，在大氣環(huán)境中即可實(shí)現(xiàn)超光滑表面的拋光，且使用的裝備結(jié)構(gòu)簡單，制造 成本低。


圖1是具體實(shí)施方式
一所用的納米膠體射流拋光裝置圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明技術(shù)方案不局限于以下所列舉具體實(shí)施方式
，還包括各具體實(shí)施方 式間的任意組合。
具體實(shí)施方式
一本實(shí)施方式中應(yīng)用納米膠體射流拋光元件表面的方法如 下在射流壓力為0.1MPa 10MPa、噴射速度為10~200m/s的條件下將納米膠 體噴射于元件表面；其中所述的納米膠體的動力粘度為0.001~0.02N-s/m2、 pH
4值為8~12。
結(jié)合圖1本實(shí)施方式中應(yīng)用納米膠體射流拋光元件表面的方法如下打開
第一兩位三通控制閥1，啟動蠕動泵11向第一高壓容器23內(nèi)的第一柔性密封囊24輸送納米膠體，待納米膠體充滿第一柔性密封囊24時，關(guān)閉第一兩位三通控制閥1和第三兩位三通控制閥5，打開第二兩位三通控制閥2和第四兩位三通控制閥6。啟動柱塞泵8，液壓油經(jīng)蓄能器7穩(wěn)壓后從第四兩位三通控制閥6進(jìn)入第一高壓容器23內(nèi)，高壓液壓油擠壓第一柔性密封囊24內(nèi)的納米膠體，納米膠體經(jīng)第一兩位三通控制閥1進(jìn)入噴嘴19，從噴嘴19射向被加工元件，對其進(jìn)行拋光加工，拋光時通過數(shù)控機(jī)床的計算機(jī)控制數(shù)控機(jī)床的第一軸向?qū)к?4、第二軸向?qū)к?5、第三軸向?qū)к?0及第四軸向轉(zhuǎn)臺21的運(yùn)動，使噴嘴19和工作臺17按照計算機(jī)內(nèi)設(shè)定的軌跡運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)特定的拋光軌跡。第一柔性密封囊24內(nèi)的納米膠體進(jìn)行拋光的同時，通過蠕動泵11給第二高壓容器4內(nèi)的第二柔性密封囊3輸送納米膠體，納米膠體進(jìn)入第二柔性密封囊3，將第一高壓容器4內(nèi)的液壓油壓出，經(jīng)第三兩位三通控制閥5排回液壓油箱9，被柱塞泵8循環(huán)使用。第二柔性密封囊3內(nèi)充滿納米膠體后，信號被返回由計算機(jī)控制系統(tǒng)自動關(guān)閉蠕動泵11，第二柔性密封囊3待用。當(dāng)?shù)谝蝗嵝悦芊饽?4內(nèi)的納米膠體即將用完時，打開第一兩位三通控制閥1和第三兩位三通控制閥5，關(guān)閉第二兩位三通控制閥2和第四兩位三通控制閥6，第二柔性密封囊3內(nèi)的納米膠體開始進(jìn)行拋光，而第一柔性密封囊24可進(jìn)行膠體注入，如此循環(huán)工作。從噴嘴19射出的納米膠體，送入納米膠體循環(huán)裝置12內(nèi)，重新進(jìn)行冷卻，然后再送回封閉的納米膠體容器10內(nèi)。
具體實(shí)施方式
二本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一不同的是所述的納米膠體按重量份數(shù)由0.5~15份的納米顆粒、85 99份去離子水、0.15份pH值調(diào)節(jié)劑、0.2-1份分散劑和0.05-0.2份聚丙烯酸鈉制成，其中所述的納米顆粒的粒徑為50nm以下。其它與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
三本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一不同的是所述的納米膠體按重量份數(shù)由2 12份的納米顆粒、87~97份去離子水、0.16份pH值調(diào)節(jié)劑、0.5份分散劑和0.1份聚丙烯酸鈉制成，其中所述的納米顆粒的粒徑為40nm。其它與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
四本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一不同的是所述的納米膠體
按重量份數(shù)由5 10份的納米顆粒、88 96份去離子水、0.17份pH值調(diào)節(jié)劑、0.7份分散劑和0.15份聚丙烯酸鈉制成，其中所述的納米顆粒的粒徑為30nm。其它與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
五本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一不同的是所述的納米膠體按重量份數(shù)由8份的納米顆粒、90份去離子水、0.18份pH值調(diào)節(jié)劑、0.9份分散劑和0.2份聚丙烯酸鈉制成，其中所述的納米顆粒的粒徑為20nm。其它與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
六本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一不同的是所述的納米顆粒為無機(jī)納米顆粒。其它與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
七本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一不同的是所述的無機(jī)納米顆粒為納米二氧化硅顆粒、納米二氧化鈦顆粒、納米氧化鈰顆?；蚣{米氧化鋁顆粒。其它與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
八本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一不同的是所述的pH值調(diào)節(jié)劑為AMP 95pH值調(diào)節(jié)劑或AMP 96pH值調(diào)節(jié)劑。其它與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
九本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一不同的是所述的分散劑為聚羧酸鈉鹽型分散劑或聚丙烯酸鹽型分散劑。其它與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
十本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
二不同的是所述的納米膠體
的制備方法如下按重量份數(shù)首先將85 99份的去離子水、0.1 0.2份的pH值調(diào)節(jié)劑、0.2~1份的分散劑和0.05 0.2份的聚丙烯酸鈉混合制得pH值基液，然后以10-60轉(zhuǎn)/分鐘的攪拌速度將0.5~15份的納米顆粒加入到pH值基液中制得混合液，再以120~300轉(zhuǎn)/分鐘的攪拌速度將混合液攪拌5 20分鐘后在頻率為10 40KHz的條件下將混合液超聲波分散5 30分鐘，即得納米膠體。其它與具體實(shí)施方式
二相同。
具體實(shí)施方式
十一本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
十不同的是所述的納米膠體的制備方法如下首先將87~97份去離子水、0.16份pH值調(diào)節(jié)劑、0.5份分散劑和0.1份聚丙烯酸鈉混合制得pH值基液，然后以10~60轉(zhuǎn)/分鐘的攪拌速度將2 12重量份納米顆粒加入到pH值基液中制得混合液，再以120-300轉(zhuǎn)/分鐘的攪拌速度將混合液攪拌5 20分鐘后，在頻率為10~40KHz的條件下將混合液超聲波分散5 30分鐘，即得納米膠體。
具體實(shí)施方式
十二本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
十不同的是所述的納米膠體的制備方法如下首先將88~96份去離子水、0.17份pH值調(diào)節(jié)劑、0.7份分散劑和0.9份聚丙烯酸鈉混合制得pH值基液，然后以10~60轉(zhuǎn)/分鐘的攪拌速度將5~10重量份納米顆粒加入到pH值基液中制得混合液，再以120~300轉(zhuǎn)/分鐘的攪拌速度將混合液攪拌5~20分鐘后，在頻率為10~40KHz的條件下將混合液超聲波分散5~30分鐘，即得納米膠體。
具體實(shí)施方式
十三本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
十不同的是所述的納米膠體的制備方法如下首先將90份去離子水、0.18份pH值調(diào)節(jié)劑、0.9份分散劑和0.2份聚丙烯酸鈉混合制得pH值基液，然后以10~60轉(zhuǎn)/分鐘的攪拌速度將8重量份納米顆粒加入到pH值基液中制得混合液，再以120 300轉(zhuǎn)/分鐘的攪拌速度將混合液攪拌5 20分鐘后，在頻率為10~40KHz的條件下將混合液超聲波分散5 30分鐘，即得納米膠體。
具體實(shí)施方式
十四本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
十不同的是所述的納米顆粒為無機(jī)納米顆粒。其它與具體實(shí)施方式
十或相同。
具體實(shí)施方式
十五本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
十不同的是所述的無機(jī)納米顆粒為納米二氧化硅顆粒、納米二氧化鈦顆粒、納米氧化鈰顆粒或納米氧化鋁顆粒。其它與具體實(shí)施方式
十相同。
具體實(shí)施方式
十六本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
十不同的是所述的pH值調(diào)節(jié)劑為AMP 95pH值調(diào)節(jié)劑或AMP 96pH值調(diào)節(jié)劑。其它與具體實(shí)施方式
十相同。
具體實(shí)施方式
十七本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
十不同的是所述的分散劑為聚羧酸鈉鹽型分散劑或聚丙烯酸鹽型分散劑。其它與具體實(shí)施方式
十相同。
具體實(shí)施方式
十八本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一不同的是應(yīng)用納米膠體射流拋光K9玻璃基片表面的方法如下在射流壓力為4MPa、動力粘度為0.02N's/m2、 pH值為10、噴射速度為30m/s的條件下將30%vol納米&02膠體噴射于一直徑為10mm的K9玻璃基片表面，其中K9玻璃基片以60r/min的轉(zhuǎn)速隨元件平臺旋轉(zhuǎn)、拋光10h。
7用原子力顯微鏡隨機(jī)檢測經(jīng)過K9玻璃基片的表面粗糙度，未經(jīng)納米膠體射流拋光前K9玻璃基片表面粗糙度為4.169 nm (Rms) [2.078 nm (Ra)]，納米膠體射流拋光后，K9玻璃基片表面粗糙度提高到0.935 nm (Rms)
，表面粗糙度低于到lnmRms，符合超光滑表面的要求。
具體實(shí)施方式
十九本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一不同的是應(yīng)用納米膠體射流拋光K9玻璃基片表面的方法如下在射流壓力為1.5MPa、動力粘度為0.001N's/m2、 pH值為10、噴射速度為10m/s的條件下將10%vol納米Si02膠體噴射于一直徑為10mm的K9玻璃基片表面，其中K9玻璃基片以60r/min的轉(zhuǎn)速隨元件平臺旋轉(zhuǎn)、拋光20h。
用原子力顯微鏡隨機(jī)檢測經(jīng)過K9玻璃基片的表面粗糙度，未經(jīng)納米膠體射流拋光前K9玻璃基片表面粗糙度為4.236 nm (Rms) [2.137nm (Ra)]，納米膠體射流拋光后，K9玻璃基片表面粗糙度提高到0.853nm (Rms) [0.431nm(Ra"，表面粗糙度低于到lnmRms，符合超光滑表面的要求。
8
權(quán)利要求
1、一種應(yīng)用納米膠體射流拋光元件表面的方法，其特征在于應(yīng)用納米膠體射流拋光元件表面的方法如下在射流壓力為0.1MPa～10MPa、噴射速度為10～200m/s的條件下將納米膠體噴射于元件表面；其中所述的納米膠體的動力粘度為0.001～0.02N·s/m2、pH值為8～12。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)用納米膠體射流拋光元件表面的方法，其特 征在于所述的納米膠體按重量份數(shù)由0.5~15份的納米顆粒、85 99份去離子 水、0.1-0.2份pH值調(diào)節(jié)劑、0.2~1份分散劑和0.05-0.2份聚丙烯酸鈉制成， 其中所述的納米顆粒的粒徑為50nm以下。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的應(yīng)用納米膠體射流拋光元件表面的方法，其 特征在于所述的納米顆粒為無機(jī)納米顆粒。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的應(yīng)用納米膠體射流拋光元件表面的方法，其特 征在于所述的無機(jī)納米顆粒為納米二氧化硅顆粒、納米二氧化鈦顆粒、納米氧 化鈰顆粒或納米氧化鋁顆粒。
5、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的應(yīng)用納米膠體射流拋光元件表面的方法，其特 征在于所述的pH值調(diào)節(jié)劑為AMP 95pH值調(diào)節(jié)劑或AMP 96pH值調(diào)節(jié)劑。
6、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的應(yīng)用納米膠體射流拋光元件表面的方法，其特 征在于所述的分散劑為聚羧酸鈉鹽型分散劑或聚丙烯酸鹽型分散劑。
7、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的應(yīng)用納米膠體射流拋光元件表面的方法，其 特征在于所述納米膠體的制備方法如下按重量份數(shù)首先將85~99份的去離子 水、0.1 0.2份的pH值調(diào)節(jié)劑、0.2~1份的分散劑和0.05 0.2份的聚丙烯酸鈉 混合制得pH值基液，然后以10~60轉(zhuǎn)/分鐘的攪拌速度將0.5-15份的納米顆 粒加入到pH值基液中制得混合液，再以120 300轉(zhuǎn)/分鐘的攪拌速度將混合 液攪拌5~20分鐘后在頻率為10 40KHz的條件下將混合液超聲波分散5~30 分鐘，即得納米膠體。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的應(yīng)用納米膠體射流拋光元件表面的方法，其 特征在于所述的納米顆粒為無機(jī)納米顆粒。
9、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的應(yīng)用納米膠體射流拋光元件表面的方法，其特 征在于所述的無機(jī)納米顆粒為納米二氧化硅顆粒、納米二氧化鈦顆粒、納米氧 化鈰顆粒或納米氧化鋁顆粒。
10、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的應(yīng)用納米膠體射流拋光元件表面的方法，其 特征在于所述的pH值調(diào)節(jié)劑為AMP 95pH值調(diào)節(jié)劑或AMP 96pH值調(diào)節(jié)劑。
全文摘要
應(yīng)用納米膠體射流拋光元件表面的方法，它涉及一種應(yīng)用膠體射流拋光元件的方法。本發(fā)明解決了現(xiàn)有的拋光方法難以使元件表面達(dá)到超光滑表面的要求或能達(dá)到超光滑表面的要求但加工成本過高的問題。本發(fā)明方法如下在射流壓力為0.1MPa～10MPa、噴射速度為10～200m/s的條件下將納米膠體噴射于元件表面；其中所述的納米膠體的動力粘度為0.001～0.02N·s/m²、pH值為8～12。本發(fā)明方法適用于光學(xué)玻璃、微晶玻璃、半導(dǎo)體材料及單晶材料等硬脆材料的超精密、超光滑拋光，經(jīng)過拋光后元件表面粗糙度小于1nm(Rms)，達(dá)到了超光滑表面的要求。
文檔編號B24C1/04GK101462256SQ20091007127
公開日2009年6月24日 申請日期2009年1月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月15日
發(fā)明者宋孝宗, 勇 張, 張飛虎 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)