納米膠體空化射流拋光及其關鍵技術研究.pdf

1、隨著科技的發(fā)展，超光滑表面越來越多的應用于現(xiàn)代光學系統(tǒng)、微電子行業(yè)以及薄膜科學等領域。超光滑表面要求極低的表面粗糙度，盡可能小的表面疵病與亞表面損傷，加工較為困難。與此同時，自由曲面、深凹曲面等具有復雜結構表面的光學器件在現(xiàn)代光學系統(tǒng)中受到青睞，而現(xiàn)有的加工方法受到加工條件的限制，無法便捷高效的對此類結構表面進行加工。因此，自由曲面、深凹曲面等復雜結構表面的超光滑表面加工是目前精密加工行業(yè)所面臨的一項難題。基于此，本文提出納米膠體空化射

2、流拋光，以期能夠方便、高效的對具有復雜表面結構的曲面進行加工，使其表面質量達到超光滑表面的要求。
　　本文首先研制了納米膠體空化射流拋光加工系統(tǒng)。該加工系統(tǒng)由壓力生成系統(tǒng)、空化發(fā)生系統(tǒng)和機床數(shù)控系統(tǒng)組成。開發(fā)出了擠壓式壓力系統(tǒng)和氣液增壓式壓力系統(tǒng)，并對這兩種壓力生成系統(tǒng)的性能進行了比較。選用旋轉導葉噴嘴和自激脈沖噴嘴作為空化射流的發(fā)生裝置，并通過高速攝影驗證了空化發(fā)生效果。最后，對所研制的加工系統(tǒng)進行了驗證性試驗，結果表明所設計的

3、加工系統(tǒng)能夠滿足超光滑表面加工的要求。
　　采用流體動力學軟件，對普通錐形噴嘴、旋轉導葉噴嘴和自激脈沖噴嘴納米膠體淹沒射流條件下的內(nèi)部流場和外部噴射區(qū)域流場進行了流體動力學仿真。得到了各噴嘴內(nèi)部流道及工件表面納米膠體壓力、流速及空化情況。通過對三種噴嘴噴射區(qū)域空化云的高速攝影和加工區(qū)域表面輪廓線的檢測，驗證了仿真的合理性。通過對旋轉導葉噴嘴噴射區(qū)域不同系統(tǒng)壓力下空化情況的流場仿真與實驗，得到了納米膠體噴射流場中空化強度隨加工系統(tǒng)壓

4、力的變化規(guī)律。
　　借助于分子動力學理論，分別模擬研究了納米膠體空化射流拋光中，SiO2納米顆粒在普通射流沖擊速度(v=50m/s)下和空化效應所產(chǎn)生的微射流速度(v=1000m/s)下與單晶硅工件表面的接觸碰撞過程，進而討論了納米膠體空化射流拋光過程中射流沖擊的作用機理和空化效應的作用機理。在本文實驗條件下，納米膠體空化射流拋光中射流沖擊的作用不能令納米顆粒的機械作用對單晶硅表面原子排布和原子勢能分布造成明顯改變。通過激光拉曼光

5、譜對納米膠體普通射流沖擊作用后的單晶硅工件表面的檢測驗證了模擬結果。對經(jīng)過納米膠體普通射流作用和納米膠體浸泡作用后的單晶硅工件表面進行X射線光電子能譜儀檢測，結果表明在射流沖擊作用下，納米膠體中納米顆粒與工件表面接觸時能夠與其表面原子發(fā)生化學鍵合。模擬和實驗結果說明：射流沖擊作用下，納米顆粒的機械作用不能對工件材料產(chǎn)生去除，材料的去除依靠納米顆粒與工件表面之間發(fā)生鍵合后繼而將工件原子脫離工件表面。
　　空化效應所產(chǎn)生的微射流作用下

6、SiO2納米顆粒與單晶硅工件表面接觸碰撞的分子動力學模擬結果顯示，納米顆粒在空化效應作用下能夠使工件表面原子結構發(fā)生明顯的改變，使接觸表面的原子呈現(xiàn)非晶態(tài)結構，并使接觸區(qū)域原子勢能明顯的升高，進而有助于工件材料的去除。借助于超聲空化效應，通過對納米膠體空化效應作用前后工件表面粗糙度的檢測實驗，驗證了模擬結果。通過對納米膠體超聲空化效應作用后工件表面的X射線光電子能譜儀檢測分析，說明在空化效應作用下，納米顆粒能夠與工件表面原子之間發(fā)生鍵合

7、。分子動力學模擬和實驗結果說明：在空化效應所產(chǎn)生的微射流作用下，納米顆粒的機械作用能夠使工件表面碰撞區(qū)域原子勢能升高，并能提高納米顆粒與工件表面鍵合的發(fā)生概率，進而有助于對工件材料的去除。
　　采用納米膠體空化射流拋光技術對工件表面進行垂直噴射定點加工實驗，得到了定點加工工件表面加工區(qū)域的表面粗糙度分布規(guī)律，以及加工工件表面粗糙度隨加工時間的變化規(guī)律。通過不同空化強度對工件表面的影響實驗，證實了過于劇烈的空化效應能夠對工件表面產(chǎn)生

8、破壞作用，并得到了本文實驗條件下產(chǎn)生合適空化所需的合理工藝參數(shù)范圍。在納米膠體空化射流拋光傾斜加工單晶硅工件表面的實驗中，獲得了表面粗糙度最低值為Ra0.475nm(Rms0.594nm)的優(yōu)質表面。通過對納米膠體空化射流拋光的工藝實驗，分析了影響納米膠體空化射流拋光加工效率的影響因素。結果表明，與同樣加工條件下的納米膠體普通射流加工相比，空化效應能夠使加工效率提升20％左右，且納米膠體空化射流拋光的加工效率隨著加工系統(tǒng)壓力和拋光液濃度