射流速度和冲击角度对材料去除特性的分析

射流速度和冲击角度会影响冲击射流的动力特性,对射流抛光的材料去除面型和材料去除量有重要的影响。对冲击射流壁面流场结构进行了分析,建立了工件壁面上的速度、压力与冲击角度、射流出口速度的数学关系。在分析理想平面的基础上,重点分析了射流速度和冲击角度的变化对存在表面瑕疵的工件材料去除量的影响。结果表明:对于理想平面,当冲击角度大约为30°时,可得到理想的高斯型面型分布;对于存在瑕疵的工件表面,在小角度冲击时更有利于材料的去除;工件材料的去除量均随着射流速度的增大而增大。     

射流抛光中抛光液黏度对材料去除函数的影响

抛光液黏度是影响射流抛光(FJP)效果的重要因素,针对硬脆光学元件射流抛光中对抛光液黏度缺乏系统研究的现状,研究了抛光液黏度变化对材料去除函数的影响。建立射流抛光连续相、离散相模型和磨损模型,计算不同黏度下磨粒运动轨迹,分析磨料颗粒撞击速度矢量随黏度的变化规律。配置不同黏度相同质量分数的抛光液,结合BK7工件静态采斑实验研究与塑性磨损理论计算,获得不同黏度下的材料去除函数,分析黏度对去除函数的影响机制,并进一步研究由此引起的工件表面粗糙度变化。结果表明:随着抛光液黏度增大,材料去除函数的去除深度减小、去除形状及去除范围保持不变,这有利于降低工件表面粗糙度。该研究扩展了现有光学元件射流抛光材料去除理论,对实际抛光液黏度调控具有理论指导意义。     

浴法抛光中抛光粉粒径对去除效果影响的试验研究

为了分析抛光粉粒径对材料去除效果的影响,选用不同的平均粒径以及不同比例混合氧化铈抛光粉分别对K9玻璃进行了抛光试验。对抛光后的工件表面粗糙度及去除量进行了定量研究。结果表明,在试验条件相同的情况下,不同平均粒径的抛光粉,粒径越小,抛光后的元件表面粗糙度越好。从使用不同比例的混合抛光粉试验中可以看出,粒度的均匀性是影响工件表面粗糙度的重要因素。结合抛光粉粒度分布图和试验结果可以看出,抛光粉粒子的分布范围越小,以及各粒径大小分布在峰值附近的粒子所占体积百分比越接近,加工后的工件表面粗糙度越小。     

基于Kahan线性化快速计算梯度磁场下磁流变抛光区域抛光粉沉降特性

针对抛光粉沉降特性数值计算这一超大规模非线性问题,基于Kahan线性化解决了超大规模流固耦合计算问题。研究了以羟基铁粉和硅油为主要成分组合而成的抛光粉多相流在梯度磁场下抛光区域的沉降特性。以质量分数70%、粒径5 μm的羟基铁粉和粘度为0.973 Pa·s的硅油组合而成的抛光粉为研究对象,实现了不同的抛光轮转速、不同嵌入深度以及不同羰基铁粉质量分数情况下的沉降规律分析。结果发现:磁流变抛光区域的抛光粉会随着抛光轮转速的增大而增多;当到达出口时,抛光粉的分布趋于稳定状态;抛光粉会随着嵌入深度的增加而增多并存在饱和区;羟基铁粉的质量分数以非线性的方式影响沉降能力。     

磁性复合流体分散性及其对BK 7光学玻璃抛光性能的影响

针对BK7光学玻璃材料去除率和抛光质量不断提高的需求,提出通过减少磁性复合流体(MCF)抛光液颗粒的团聚、提高MCF分散性,配制性能优良的抛光液,提高BK7光学玻璃的MCF抛光性能.MCF中添加不同质量分数的高分子类分散剂聚乙烯醇(PVA),采用激光粒度分布仪测试MCF抛光液中颗粒的粒径分布和中位粒径,探究不同PVA浓度的抛光液对BK7光学玻璃抛光性能的影响.试验结果表明:当PVA质量分数为3%时,中位粒径达到最小值5.854μm,MCF的分散性最好,对光学玻璃的抛光性能大幅提高,当PVA质量分数为5%时,经MCF抛光10min后材料去除率达到最大值26.4×10~(-4)g/min,表面粗糙度达到最小值8.23nm.MCF中添加适量PVA能够减少抛光液颗粒的团聚,提高MCF的分散性,提升BK7光学玻璃的磁性复合流体抛光性能.     

磁流变抛光液的配制及其抛光稳定性

磁流变液是一种分散体系,通过对分散体系稳定性的研究,并结合磁流变抛光的实际需求,确定了磁流变抛光液添加组分,配制出了适合于光学加工的水基磁流变抛光液。所配制的磁流变液初始粘度仅为0.2Pa·s,利用磁流变仪检测所配制磁流变液在剪切率为1s-1,磁场强度为0.35T时,剪切应力达42.5kPa。利用所配制的磁流变抛光液分别对K9玻璃和Si材料进行抛光,经过2h持续抛光,K9玻璃和Si材料去除函数的峰值去除量相对变化率分别为0.15%和0.22%,体积去除量相对变化率分别为1%和0.88%,去除函数的峰值去除率分别达到4.83μm/min和1.376μm/min。结果验证了所配制的抛光液具有极好的稳定性以及较高的去除效率,能够保证抛光材料的快速去除和高效收敛。     

环带抛光技术材料去除理论模型研究

为了更加完善环带抛光技术并指导加工,根据Preston方程建立了材料去除量的理论模型。考虑到环带抛光技术中的诸影响因素,如抛光盘与工件之间的转速比、偏心距及压强分布等参数,建立材料去除量与各影响因素之间的相互关系的数学模型。理论分析和实验结果表明：材料的去除效率随转速比和偏心距增加而增大,转速比越接近于1时,磨削越均匀;工件露边时,工件露出部分材料的去除效率急剧下降。通过对该理论模型中的相关技术参数研究来完善环带抛光技术,有效地提高抛光的效率及稳定性。     

射流抛光误差分析与材料去除稳定性研究

研究了射流抛光材料去除面形不呈理想的对称形和重复抛光材料去除量的波动不稳性,分析认为射流抛光过程稳定性和误差因素会影响材料去除的不稳定性.分析了射流系统的误差影响因素,其主要由压力波动、磨粒沉降作用和流体的紊动作用等部分组成,并研究了各误差影响因素的产生机理和对材料去除的影响.通过仿真和实验分析,得到压力波动、磨粒沉降...     

化学机械抛光中纳米颗粒的作用分析

化学机械抛光（chemical mechanical polishing, CMP）是用于获取原子级平面度的有效手 段.目前，CMP的抛光液通常使用纳米级颗粒来加速切除和优化抛光质量.这类流体的流变性 能必须考虑微极性效应的影响.对考虑微极性效应的运动方程的求解，有助于了解CMP的作用 机理.数值模拟表明，微极性将提高抛光液的等效黏度从而在一定程度上提高其承载能力， 加速材料去除.这在低节距或低转速下尤为明显，体现出其具有尺寸依赖性.通过改变抛光液 中粒子的微极性，用实验研究了微极性效应对CMP中材料去除速率的影响，证明了分析的合 理性. 关键词： 化学机械抛光 微极流体 抛光液 流变特性 材料去除速率     

抛光液的pH值对抛光元件表面粗糙度的影响

减小大孔径超光滑玻璃表面的粗糙度是提高抛光质量的关键。实验研究了抛光过程中pH值对抛光元件表面粗糙度的影响。结果表明:抛光液的pH值对抛光元件表面粗糙度有较明显的影响;抛光过程中抛光液的pH值会随抛光时间而变化;抛光过程中,当保持抛光液处于微碱状态,且离抛光粉的等电离点较远时,抛光元件表面具有较小的粗糙度。     

Modeling effects of abrasive particle size and concentration on material removal at molecular scale in chemical mechanical polishing

A novel material removal model as a function of abrasive particle size and concentration was established in chemical mechanical polishing (CMP) based on molecular scale mechanism, micro-contact mechanics and probability statistics. A close-form equation was firstly developed to calculate the number of effective particles. It found nonlinear dependences of removal rate on the particle size and concentration, being qualitatively agreement with the published experimental data. The nonlinear relation results from the couple relationship among abrasive number, slurry concentration and surface atoms’ binding energy with the particle size. Finally, the system parameters such as the operational conditions and materials properties were incorporated into the model as well.     

基于散粒磨料振动抛光非球面加工技术研究

鉴于非球面光学元件的应用日益广泛,非球面加工技术成为研究热点,提出一种基于散粒磨料振动抛光非球面的加工方法。非球面元件待抛光表面与磨粒均匀接触,通过振动抛光装置为游离磨粒提供抛光作用力,使材料去除均匀,降低表面粗糙度。以材料为ZK-10L、尺寸为Φ55 mm的光学元件为实验对象,分析了振动幅度、抛光液浓度、磨粒粒径和抛光时间对抛光效果的影响,当振动幅度为5 mm、抛光液浓度为80 g/L、磨粒粒径为1 mm时,振动抛光8 h后试件的表面粗糙度从84.4 nm降低到9.4 nm,而试件的面形精度基本不变,从而在保证面形的前提下达到抛光的目的。     

表面划痕中残余抛光颗粒对材料热损伤特性的影响

建立了高功率激光辐照下光学表面存在划痕且残存抛光颗粒时的热损伤分析模型,对这种复杂缺陷条件下的光学材料热损伤性能进行了研究。利用有限差分法计算了不同尺度抛光颗粒处于划痕中不同位置时光学材料表面的光场调制和温度场的分布。根据表面温度分布,得到了对应条件下光学材料的热损伤阈值变化规律。结果表明:除了抛光颗粒半径对材料损伤阈值存在影响外,当抛光颗粒位于划痕宽度方向不同位置时,材料的热损伤阈值也会有比较明显的变化;当位于划痕中心时,抛光颗粒对材料光场调制最强,更容易造成材料的熔化损伤。     

射流抛光材料去除机理及影响因素分析

 采用Fluent软件对射流抛光材料去除机理进行了流体动力学仿真研究,通过对射流流场压力、速度和工件表面剪切力的分析可知材料去除量应与表面剪切力的分布相对应,去除函数呈现W型;随后采用正交法对入射速度、工作距离和磨料浓度等工艺参数对抛光效果的影响进行了综合分析,结果表明：去除效率随入射速度和磨料浓度的增大而增大,随工作距离增大而减小,并且工作距离对去除率具有显著影响,为实验研究中工艺参数的选取提供了一定的指导意义。     

Modeling the effects of cohesive energy for single particle on the material removal in chemical mechanical polishing at atomic scale

This paper proposes a novel mathematical model for chemical mechanical polishing (CMP) based on interface solid physical and chemical theory in addition to energy equilibrium knowledge. And the effects of oxidation concentration and particle size on the material removal in CMP are investigated. It is shown that the mechanical energy and removal cohesive energy couple with the particle size, and being a cause of the non-linear size-removal rate relation. Furthermore, it also shows a nonlinear dependence of removal rate on removal cohesive energy. The model predictions are in good qualitative agreement with the published experimental data. The current study provides an important starting point for delineating the micro-removal mechanism in the CMP process at atomic scale.     

透过率起伏光谱分析法测粒技术

提出的透过率起伏光谱分析法是一种新的颗粒测量方法。采用一细小光束照射匀速流动的颗粒系统,通过采集透射光起伏信号,经统计处理得到透过率的平均值与起伏谱。通过求解逆问题,从透过率的起伏谱中得到颗粒粒径分布信息,再结合透过率的平均值得到颗粒的体积分数信息。给出了关于单层颗粒透过率的平均值与起伏谱的理论表达式,并推广到三维单分散和多分散的颗粒系统。对粒径在32~425μm内的稀薄颗粒系进行了部分实验测试和模拟计算,结果表明该方法可同时对颗粒粒径分布和体积分数进行有效测量。     

纳米氧化铈的制备及其抛光性能的研究

采用溶胶-凝胶法制备了纳米CeO2粉体,并采用XRD、TOF-SIMS对其进行了表征。结果表明平均晶粒度在13.3nm,粒度分布均匀。进而研究了纳米CeO2在玻璃基片抛光中的抛光性能。ZYGO形貌仪表明,抛光后其表面平均粗糙度值(Ra)可降低到0.6nm左右。原子力显微镜(AFM)在5μm×5μm范围内测得基片表面粗糙度Ra值为0.281nm,表面光滑,划痕等表面微观缺陷明显改善。     

气囊抛光工艺参数的正交实验分析

针对平面光学零件,以抛光去除率和表面粗糙度为考核指标,应用正交试验法分析了气囊抛光过程中的主要工艺参数,包括抛光工具气囊的压缩量、气囊转速、气囊内部充气压力、抛光液的浓度对抛光去除效率和表面粗糙度的影响规律。结合气囊抛光的抛光机理对其进行了分析,根据实验结果对工艺参数进行了优化,并进行了综合参数的气囊抛光加工实验,获得了超精密光滑的表面。