納米膠體空化射流拋光及其關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、隨著科技的發(fā)展，超光滑表面越來(lái)越多的應(yīng)用于現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)、微電子行業(yè)以及薄膜科學(xué)等領(lǐng)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(shí)，自由曲面、深凹曲面等具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)表面的光學(xué)器件在現(xiàn)代光學(xué)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(wú)法便捷高效的對(duì)此類(lèi)結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行加工。因此，自由曲面、深凹曲面等復(fù)雜結(jié)構(gòu)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(xiàng)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(duì)具有復(fù)雜表面結(jié)構(gòu)的曲面進(jìn)行加工，使其表面質(zhì)量達(dá)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(jī)床數(shù)控系統(tǒng)組成。開(kāi)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(duì)這兩種壓力生成系統(tǒng)的性能進(jìn)行了比較。選用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)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(guò)高速攝影驗(yàn)證了空化發(fā)生效果。最后，對(duì)所研制的加工系統(tǒng)進(jìn)行了驗(yàn)證性試驗(yàn)，結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的

3、加工系統(tǒng)能夠滿(mǎn)足超光滑表面加工的要求。
　　采用流體動(dòng)力學(xué)軟件，對(duì)普通錐形噴嘴、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)葉噴嘴和自激脈沖噴嘴納米膠體淹沒(méi)射流條件下的內(nèi)部流場(chǎng)和外部噴射區(qū)域流場(chǎng)進(jìn)行了流體動(dòng)力學(xué)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(guò)對(duì)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(cè)，驗(yàn)證了仿真的合理性。通過(guò)對(duì)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)葉噴嘴噴射區(qū)域不同系統(tǒng)壓力下空化情況的流場(chǎng)仿真與實(shí)驗(yàn)，得到了納米膠體噴射流場(chǎng)中空化強(qiáng)度隨加工系統(tǒng)壓

4、力的變化規(guī)律。
　　借助于分子動(dòng)力學(xué)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(yīng)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(guò)程，進(jìn)而討論了納米膠體空化射流拋光過(guò)程中射流沖擊的作用機(jī)理和空化效應(yīng)的作用機(jī)理。在本文實(shí)驗(yàn)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(jī)械作用對(duì)單晶硅表面原子排布和原子勢(shì)能分布造成明顯改變。通過(guò)激光拉曼光

5、譜對(duì)納米膠體普通射流沖擊作用后的單晶硅工件表面的檢測(cè)驗(yàn)證了模擬結(jié)果。對(duì)經(jīng)過(guò)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(jìn)行X射線光電子能譜儀檢測(cè)，結(jié)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(shí)能夠與其表面原子發(fā)生化學(xué)鍵合。模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明：射流沖擊作用下，納米顆粒的機(jī)械作用不能對(duì)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(yīng)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(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果顯示，納米顆粒在空化效應(yīng)作用下能夠使工件表面原子結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯的改變，使接觸表面的原子呈現(xiàn)非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，并使接觸區(qū)域原子勢(shì)能明顯的升高，進(jìn)而有助于工件材料的去除。借助于超聲空化效應(yīng)，通過(guò)對(duì)納米膠體空化效應(yīng)作用前后工件表面粗糙度的檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了模擬結(jié)果。通過(guò)對(duì)納米膠體超聲空化效應(yīng)作用后工件表面的X射線光電子能譜儀檢測(cè)分析，說(shuō)明在空化效應(yīng)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(dòng)力學(xué)模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明：在空化效應(yīng)所產(chǎn)生的微射流作用下，納米顆粒的機(jī)械作用能夠使工件表面碰撞區(qū)域原子勢(shì)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(jìn)而有助于對(duì)工件材料的去除。
　　采用納米膠體空化射流拋光技術(shù)對(duì)工件表面進(jìn)行垂直噴射定點(diǎn)加工實(shí)驗(yàn)，得到了定點(diǎn)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(shí)間的變化規(guī)律。通過(guò)不同空化強(qiáng)度對(duì)工件表面的影響實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了過(guò)于劇烈的空化效應(yīng)能夠?qū)ぜ砻娈a(chǎn)生

8、破壞作用，并得到了本文實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)中，獲得了表面粗糙度最低值為Ra0.475nm(Rms0.594nm)的優(yōu)質(zhì)表面。通過(guò)對(duì)納米膠體空化射流拋光的工藝實(shí)驗(yàn)，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(jié)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(yīng)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