光学石英玻璃超声波精细雾化抛光的实验研究

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光学石英玻璃具有紫外透过率高、耐损性好、内部缺陷小和化学性质稳定等优点,被广泛应用于军工、航天和空间探测等领域,同时也是显微镜、天文望远镜等光学系统的常用材料。光学石英玻璃属于硬脆型材料,使用传统方式加工时极易出现崩碎、裂纹和刮花等表面缺陷,无法达到光学元件使用标准。在当前超精密加工领域,化学机械抛光可以在实现全局平坦化的同时获得较高的加工效率,因而被广泛应用于硬脆材料的平整化加工中。本文在化学机械抛光基础上,使用超声波精细雾化的方式对JGS1光学石英玻璃进行抛光实验,以表面粗糙度和材料去除率为评价指标,先后进行了单因素试验、抛光液组分含量优化试验以及抛光工艺参数优化试验,并对试验结果进行理论分析,最终确定了光学石英玻璃雾化抛光的特种抛光液配方以及抛光工艺参数,具体工作内容如下:(1)通过设计单因素试验,本文最终选用50 nm规格的SiO2为磨料,柠檬酸为络合剂,聚乙烯吡咯烷酮为表面活性剂,碳酸胍为助溶剂,KOH和HNO3为pH调节剂,根据试验结果初步确定了各组分的浓度范围并对其作用机理进行分析;(2)通过正交试验探究了各组分对雾化抛光效果的影响程度,并对抛光液中各组分含量进行了优化,随后分析了光学石英玻璃雾化抛光的去除机理。试验结果表明,SiO2浓度和pH值对抛光效果影响较大,抛光液各组分最优含量为:SiO2磨料质量分数19%、柠檬酸质量分数1.4%、碳酸胍质量分数0.2%、聚乙烯吡咯烷酮质量分数0.9%以及pH=11;(3)使用优化后的抛光液,通过单因素试验探究了雾化抛光时各工艺参数(抛光压力、雾液流量和抛光盘转速)对光学石英玻璃抛光效果的影响,随后设计正交试验研究了各参数对雾化抛光效果的影响程度,并对其进行了优化。试验结果表明,各工艺参数对抛光效果的影响程度从大到小依次为抛光压力、雾液流量和抛光盘转速。分析后所确定的最佳工艺参数为:抛光压力4.2 psi、雾化抛光液流量12.5 m L/min和抛光盘转速70 r/min,此时光学石英玻璃晶片雾化抛光效果最好,材料去除率为172.3 nm/min,表面粗糙度为0.71 nm;(4)通过试验将传统抛光与超声波雾化抛光进行对比,两者除抛光液流量外其他试验条件均相同,雾化方式下雾液流量为12.5 m L/min,与之对应的传统抛光方式抛光液流量为85 m L/min。试验结果表明,雾化抛光下晶片的材料去除率略低于传统抛光方式,但其表面质量更佳,紫外透过率更高,且雾化抛光液用量仅为传统方式的1/7,具有经济环保的优点。
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