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稀土抛光粉尤其是氧化铈抛光粉是目前高精密光学玻璃、超薄液晶显示玻璃基板和半导体工业中超大规模集成电路基板抛光的主要打磨材料。氧化铈抛光粉的性能与粉体的颗粒大小、形貌、化学组成、煅烧温度等有很大的关系,因此控制制备工艺是得到高质量氧化铈抛光粉的前提条件。本论文以不同极性的有机溶剂为介质,研究了两种简单而有效地制备高质量纳米CeO2晶粉体的方法,对合成粉体进行光学玻璃精密抛光表征,并研究基于抛光粉颗粒的机械化学抛光机理。
首先在不同极性的有机溶剂中用直接加热沉淀法合成了纳米CeO2粉体,并得到了优化的实验条件参数。实验发现,产物CeO2纳米粉体的粒度基本都呈球状颗粒;溶剂的极性越小,偶极矩越小,介电常数ε越小,则生成的晶核尺寸就越小,团聚程度亦越轻。
其次,提出了一种制备粒度均一、团聚程度小的纳米晶粉体的方法--溶胶-溶剂热(SST)法,通过合成工艺条件的合理优化,可用于合成各类化合物如金属单质(如Ag和Cu)、氧化物(如CeO2,TiO2,Fe2O3、ZnO、CoFe2O4和BaTiO3)以及非氧化物(如ZnS和ZnSe)等近单分散的纳米晶粉体(10~50 nm)及其不同形貌(如线状、棒状、多面体和微球形)的自组装体。SST法合成的CeO2纳米晶粉体在适宜的煅烧温度下进行活化处理后,表现出了优异的精密抛光性能,与两款商业化的进口抛光粉不相上下。
在抛光液中引入还原态或氧化态试剂后发现,当抛光液中加入如Ce(NO3)3或N2H4等亲核试剂时,其抛光结果要明显的好于加入如(NH4)2Ce(NO3)6或NaClO等亲电试剂时的情况,说明了抛光粉颗粒表面CeⅢ态位的存在能够促进抛光速度,但也有赖于CeIII→CeIV态的转变速度。据此还提出了在抛光过程中化学抛光的化学键形成-断裂机理的新观点。
通过对抛光粉颗粒受力分析和模型简化,并基于机械抛光项和化学抛光项的线性关系假定,得到了小粒径、稀抛光液浓度时基于抛光粉颗粒的总抛光速度表示式。最后,通过分析不同阳离子掺杂的氧化铈粉体的抛光实验结果,用改进差分进化算法全局优化回归分析,得到最佳拟合曲线。