超光滑表面加工技术

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1、超光滑表面加工技术学生姓名学生姓名:魏宇峰魏宇峰专专 业业:无机非金属材料工程无机非金属材料工程指导教师：指导教师：张希艳张希艳主要内容主要内容简述简述一超光滑表面加工技术超光滑表面加工技术二超光滑表面检测技术超光滑表面检测技术三简述简述 近年来，近年来，空间光学、空间光学、X射线学、紫外光学射线学、紫外光学以及磁记录、光学记录、超大规模集成电以及磁记录、光学记录、超大规模集成电路等路等领域的发展，对上述光学系统的光学领域的发展，对上述光学系统的光学元件提出了极精确面型和超光滑表面的加元件提出了极精确面型和超光滑表面的加工要求，其工要求，其表面粗糙度在纳米级表面粗糙度在纳米级。通常把粗糙度为纳

2、米级的表面称为通常把粗糙度为纳米级的表面称为超光滑表面。超光滑表面加工技术，超光滑表面。超光滑表面加工技术，即超光滑抛光，相当于原子、分子即超光滑抛光，相当于原子、分子水平上的加工。水平上的加工。l软软X射线射线光学系统光学系统l空间光学（天文望远镜）空间光学（天文望远镜）l强激光系统（谐振腔反射镜面）强激光系统（谐振腔反射镜面）l集成电路基板集成电路基板l大容量光盘大容量光盘l磁头加工磁头加工超光滑光学元件可用于的高科技领域超光滑光学元件可用于的高科技领域简述简述 超光滑表面抛光机理超光滑表面抛光机理 1.机械磨削去除材料机械磨削去除材料 2.物理碰撞方法去除材料原子物理碰撞方法去除材料原子

3、 3.化学方法去除工件表面原子化学方法去除工件表面原子 实际上，超光滑表面抛光过程，材料去除并不实际上，超光滑表面抛光过程，材料去除并不只是其中的一种方式，多数情况下是三种去除只是其中的一种方式，多数情况下是三种去除方式的共同作用，只是某一种方式表现得更为方式的共同作用，只是某一种方式表现得更为明显而已明显而已简述简述2.超光滑表面加工技术超光滑表面加工技术 目前，超光滑光学元件常用的材料有玻璃、晶体、陶瓷及某些金属，目前，超光滑光学元件常用的材料有玻璃、晶体、陶瓷及某些金属，如熔石英、微晶玻璃、蓝宝石、铝合金、无氧铜、单晶硅等。所以获得如熔石英、微晶玻璃、蓝宝石、铝合金、无氧铜、单晶硅等。所

4、以获得超光滑表面的加工技术有很多。超光滑表面的加工技术有很多。1.浴法抛光浴法抛光2.浮法抛光浮法抛光3.聚四氟乙烯抛光聚四氟乙烯抛光4.离子束抛光离子束抛光5.等离子体辅助抛光等离子体辅助抛光6.磨粒弹性溅射抛光磨粒弹性溅射抛光7.磁流变抛光磁流变抛光l浴法抛光是美国在浴法抛光是美国在20世纪世纪60年代为发展年代为发展远紫外光学而研究的一种超光滑加工方远紫外光学而研究的一种超光滑加工方法。此法在熔石英上获得了粗糙度为法。此法在熔石英上获得了粗糙度为0.3nm的超光滑表面的超光滑表面。1.浴法抛光浴法抛光 浴法抛光示意图浴法抛光示意图 1.浴法抛光浴法抛光231451.液槽液槽2.抛光液抛光

5、液3.搅拌器搅拌器4.抛光盘抛光盘5.工件工件 1.浴法抛光浴法抛光FP是日本大阪大学南波教授为加工抛光磁头是日本大阪大学南波教授为加工抛光磁头材料在材料在1977年提出的。该方法已经获得表面年提出的。该方法已经获得表面粗糙度粗糙度Rq0.1nm超光滑表面，是目前超光超光滑表面，是目前超光滑表面加工技术中，工件表面粗糙度最小的滑表面加工技术中，工件表面粗糙度最小的方法。方法。2.浮法抛光浮法抛光浮法抛光机的机械构造类似于定摆抛光机。镜盘在磨盘上浮法抛光机的机械构造类似于定摆抛光机。镜盘在磨盘上;电电动机驱动主轴使磨盘旋转动机驱动主轴使磨盘旋转,镜盘和工件因为磨盘的作用而被动镜盘和工件因为磨盘的

6、作用而被动地绕自身工作轴旋转地绕自身工作轴旋转;但由于镜盘工件轴是固定的但由于镜盘工件轴是固定的,工件不在工件不在磨盘上往复摆动。磨盘与工件均浸于抛光液中。磨盘材料不磨盘上往复摆动。磨盘与工件均浸于抛光液中。磨盘材料不是通常的沥青或聚氨脂或毛毡之类是通常的沥青或聚氨脂或毛毡之类,而是金属锡而是金属锡,纯度在纯度在99.99%以上以上,锡盘厚度约锡盘厚度约20mm。锡盘是这样制造的。锡盘是这样制造的:先用钢先用钢刀在锡盘上车出刀在锡盘上车出2mm宽的螺线或同心圆宽的螺线或同心圆;再用钻石车刀在盘再用钻石车刀在盘面车出更精细的螺线面车出更精细的螺线,进给速度约进给速度约 0.3 mm/rev。2.

7、浮法抛光浮法抛光 2.浮法抛光浮法抛光 2.浮法抛光浮法抛光 浮法抛光中机械切削作用不占主要地位。采浮法抛光中机械切削作用不占主要地位。采用较软的或较硬的磨料均可获得超光滑表面用较软的或较硬的磨料均可获得超光滑表面,并且表面粗糙度可达到来亚纳米量级并且表面粗糙度可达到来亚纳米量级,接近原接近原子尺寸子尺寸,这说明浮法抛光中这说明浮法抛光中,工件材料的去除是工件材料的去除是在原子水平上进行的。浮法抛光过程在原子水平上进行的。浮法抛光过程 中中,镜盘镜盘与磨盘稳定旋转与磨盘稳定旋转,抛光液运动产生的动压力抛光液运动产生的动压力,使使镜盘与磨盘之镜盘与磨盘之 间有数微米厚的液膜间有数微米厚的液膜,磨

8、料微位磨料微位在这层液膜中运动在这层液膜中运动,与工件表面不断碰撞与工件表面不断碰撞;工件工件表面原子在磨料微粒的撞击作用下脱离工件主表面原子在磨料微粒的撞击作用下脱离工件主体体,从而被去除从而被去除。热力学理论认为热力学理论认为,固体最稳定态是绝对零度时的理想固体最稳定态是绝对零度时的理想晶体晶体,此时其内能最低此时其内能最低,各原子间结合能相各原子间结合能相 同。实际同。实际上的固体上的固体,其每一面层都存在晶格缺陷。固体的相其每一面层都存在晶格缺陷。固体的相互作用缘于其存在晶格缺陷的结构。物体表面原子互作用缘于其存在晶格缺陷的结构。物体表面原子间的结合能正间的结合能正 比于该原子周围的同

9、等原子数比于该原子周围的同等原子数 目目,换换言之言之,不同面层原子因其位置而有不同的结合能。具不同面层原子因其位置而有不同的结合能。具体到被抛光工件而言体到被抛光工件而言,其外表层原子数显然少于内其外表层原子数显然少于内部各面层原子数部各面层原子数,这样外表层原子间的结合力就比其这样外表层原子间的结合力就比其主体内部的原子弱。同样的道理主体内部的原子弱。同样的道理,外表层原子的结合外表层原子的结合能不是一致均匀分布的。这就是说外表面层的原子能不是一致均匀分布的。这就是说外表面层的原子 比内部原子容易去除。比内部原子容易去除。2.浮法抛光浮法抛光 该方法是该方法是20世纪世纪70年代。澳大利亚

10、年代。澳大利亚计量实验室为抛光法布里计量实验室为抛光法布里-珀罗干涉珀罗干涉仪所用高精度光学元件而提出来的。仪所用高精度光学元件而提出来的。该方法已经在多种材料商获得该方法已经在多种材料商获得0.4nm的粗糙度的粗糙度。3.聚四氟乙烯抛光聚四氟乙烯抛光 在加工超光滑表面时，工件先进行预抛光，使用在加工超光滑表面时，工件先进行预抛光，使用沥青抛光盘，抛至表面无任何明显疵病，径向磨沥青抛光盘，抛至表面无任何明显疵病，径向磨痕完全去除，平面度达痕完全去除，平面度达 。换用聚四氟。换用聚四氟乙烯抛光模具，采用浴法抛光的方法，模具的直乙烯抛光模具，采用浴法抛光的方法，模具的直径是工件的径是工件的34倍。

11、采用大盘抛小工件可获得比倍。采用大盘抛小工件可获得比抛光模具好得多的表面。抛光速度要慢，机械振抛光模具好得多的表面。抛光速度要慢，机械振动要小，抛光机主轴摆速为动要小，抛光机主轴摆速为38r/min。聚四氟乙。聚四氟乙烯模具可抛光各种材料，甚至用于较难抛光的材烯模具可抛光各种材料，甚至用于较难抛光的材料，如氟化钙、氟化锂、硅等料，如氟化钙、氟化锂、硅等 3.聚四氟乙烯抛光聚四氟乙烯抛光6/3/聚四氟乙烯抛光盘具有抗老化、耐磨损、可长时间保持聚四氟乙烯抛光盘具有抗老化、耐磨损、可长时间保持面型等优点，即可用于传统抛光，又可用于浴法抛光。面型等优点，即可用于传统抛光，又可用于浴法抛光。其关键是模具

12、制造。其关键是模具制造。离子束抛光时在高真空环境下进行的，离子束抛光时在高真空环境下进行的，设备比较昂贵。它是用被加速的离子与设备比较昂贵。它是用被加速的离子与工件表面原子核直接产生弹性碰撞，将工件表面原子核直接产生弹性碰撞，将能量直接传给工件材料的原子，使其逸能量直接传给工件材料的原子，使其逸出表面从而将材料去除，是一种典型的出表面从而将材料去除，是一种典型的用物理碰撞方法惊醒抛光技术。用物理碰撞方法惊醒抛光技术。4.离子束抛光离子束抛光目前，人们利用这一技术已加工目前，人们利用这一技术已加工直径直径0.5、粗糙度、粗糙度0.6nm的表面。的表面。这是一种利用化学反应来除去材料而实现超光滑抛

13、光的这是一种利用化学反应来除去材料而实现超光滑抛光的方法。该方法始于方法。该方法始于20世纪世纪90年代，现在水平已达面型精年代，现在水平已达面型精度度 ，表面粗糙度优于，表面粗糙度优于0.5nm。加工范围广，适用于。加工范围广，适用于各种尺寸和面形，是一种很有前途的超精加工方法。各种尺寸和面形，是一种很有前途的超精加工方法。5.等离子体辅助抛光等离子体辅助抛光50/等离子体辅助抛光从整体上讲也是一种计算机控等离子体辅助抛光从整体上讲也是一种计算机控制小磨头抛光技术。不过，此时的抛光头是由某制小磨头抛光技术。不过，此时的抛光头是由某种气体在射频激励离子激光器的作用下产生的活种气体在射频激励离子

14、激光器的作用下产生的活性等离子体组成的。化学活性的等离子体与工件性等离子体组成的。化学活性的等离子体与工件表面物质发生化学反应，生成易挥发的混合气体，表面物质发生化学反应，生成易挥发的混合气体，并有排气孔排出，从而使材料去除并有排气孔排出，从而使材料去除 等离子体辅助抛光设备由三部分组成：可编程位等离子体辅助抛光设备由三部分组成：可编程位置控制系统。抛光过程是一个闭环反馈系统的控置控制系统。抛光过程是一个闭环反馈系统的控制过程。抛光头位于工件表面上方几毫米处垂直制过程。抛光头位于工件表面上方几毫米处垂直于被加工表面，由一个于被加工表面，由一个5轴轴CNC来控制，以满足来控制，以满足不同表面需要

15、。通过控制抛光头的相关参数可使不同表面需要。通过控制抛光头的相关参数可使抛光头的去除函数形状在抛光过程中改变，更加抛光头的去除函数形状在抛光过程中改变，更加有效提高收敛速度。利用材料去除量控制设备可有效提高收敛速度。利用材料去除量控制设备可实时监控表面的去除量，进而实现闭环控制。其实时监控表面的去除量，进而实现闭环控制。其中材料去除量是驻留时间的函数，控制精度可达中材料去除量是驻留时间的函数，控制精度可达1%.5.等离子体辅助抛光等离子体辅助抛光 该方法是该方法是1979年由日本大阪大学的莫里等人发展年由日本大阪大学的莫里等人发展的一种非接触式超光滑表面加工方法，可用于半导的一种非接触式超光滑

16、表面加工方法，可用于半导体材料，玻璃材料和硅、锗，可获得玻璃体材料，玻璃材料和硅、锗，可获得玻璃Rq=0.5nm和单晶硅表面和单晶硅表面Rq1nm的粗糙度。的粗糙度。6.磨粒弹射溅射抛光磨粒弹射溅射抛光 6.磨粒弹射溅射抛光磨粒弹射溅射抛光基本原理：基本原理：用细磨料颗粒与工件表面碰撞，如果其应力场的大小比材用细磨料颗粒与工件表面碰撞，如果其应力场的大小比材料原先存在的缺陷之间的距离还小的话，就能产生晶格数料原先存在的缺陷之间的距离还小的话，就能产生晶格数量级的弹性破坏，以致不会留下产生弹性变形的表层。材量级的弹性破坏，以致不会留下产生弹性变形的表层。材料中原先存在的点状缺陷之间的间隔大约为料

17、中原先存在的点状缺陷之间的间隔大约为1um，在此间，在此间隔内，材料的结构和强度可认为是理想的。如果机械加工隔内，材料的结构和强度可认为是理想的。如果机械加工产生的破坏作用范围小于该区间，原先存在的缺陷就不发产生的破坏作用范围小于该区间，原先存在的缺陷就不发生作用，就能实现从晶体上原子级去除的弹性破坏生作用，就能实现从晶体上原子级去除的弹性破坏 微粒磨料颗粒工件表面的方式：微粒磨料颗粒工件表面的方式：6.磨粒弹射溅射抛光磨粒弹射溅射抛光振动碰撞。振动碰撞。由转动圆盘进行的循环碰撞由转动圆盘进行的循环碰撞用气流进行的循环碰撞用气流进行的循环碰撞静电加速的离子碰撞静电加速的离子碰撞它是利用磁流变抛

18、光液在磁场中的磁流变特性进它是利用磁流变抛光液在磁场中的磁流变特性进行抛光的一种新方法。磁流变抛光是磁流变抛光行抛光的一种新方法。磁流变抛光是磁流变抛光液在磁场作用下，在抛光区域内形成的具有一定液在磁场作用下，在抛光区域内形成的具有一定硬度和形状精度的硬度和形状精度的“小磨头小磨头”，代替了传统抛光，代替了传统抛光时的抛光膜。在磁场作用下，磁流变抛光液变硬，时的抛光膜。在磁场作用下，磁流变抛光液变硬，粘度变大，而且粘度变大，而且“小磨头小磨头”的形状和硬度可由磁的形状和硬度可由磁场实时控制，而影响抛光区稳定的其他因素都固场实时控制，而影响抛光区稳定的其他因素都固定不变。这样，既能通过控制磁场来

19、控制抛光区定不变。这样，既能通过控制磁场来控制抛光区的大小和形状，由能保证在一定磁场强度下抛光的大小和形状，由能保证在一定磁场强度下抛光区的稳定性。这些特点是传统抛光无法比拟的区的稳定性。这些特点是传统抛光无法比拟的 7.磁流变抛光磁流变抛光磁流变抛光示意图磁流变抛光示意图 7.磁流变抛光磁流变抛光NS123451.工件工件2.磁流变抛光液磁流变抛光液3.运动盘运动盘4.抛光点抛光点5.磁极磁极 7.磁流变抛光磁流变抛光被抛光工件位于运动盘上方，并与运动盘成一很小被抛光工件位于运动盘上方，并与运动盘成一很小的固定不变的距离，于是工件和运动盘表面之间形的固定不变的距离，于是工件和运动盘表面之间形

20、成了一个凹空隙。磁极置于工件和运动盘的下方，成了一个凹空隙。磁极置于工件和运动盘的下方，并且在工件和运动盘所形成的小间隙附近形成一个并且在工件和运动盘所形成的小间隙附近形成一个高梯度磁场。运动盘内盛有磁流变抛光液，当磁流高梯度磁场。运动盘内盛有磁流变抛光液，当磁流变抛光液随运动盘一起运动到工件与运动盘所形成变抛光液随运动盘一起运动到工件与运动盘所形成的小空隙附近时，磁流变抛光液在梯度磁场作用下，的小空隙附近时，磁流变抛光液在梯度磁场作用下，按着一定规律聚结、变硬，形成近似于高斯曲面的按着一定规律聚结、变硬，形成近似于高斯曲面的毫米级的凸起，这是一种特殊的介质，它在工件和毫米级的凸起，这是一种特

21、殊的介质，它在工件和抛光机盘间的小空隙中以较高速度运动时，对工件抛光机盘间的小空隙中以较高速度运动时，对工件与之接触的区域产生很大的剪切力，使工件表面材与之接触的区域产生很大的剪切力，使工件表面材料快速地被去除。料快速地被去除。超光滑表面检测技术超光滑表面检测技术测量方法测量方法：接触法接触法优点：所有仪器有很高的纵向和横向的分辨率优点：所有仪器有很高的纵向和横向的分辨率缺点：接触被测表面，易造成表面划伤缺点：接触被测表面，易造成表面划伤非接触法非接触法优点：利用干涉、散射原理测量，不接触表面优点：利用干涉、散射原理测量，不接触表面缺点：有些仪器测量精度不够缺点：有些仪器测量精度不够lTOPO

22、3D粗糙度测量仪粗糙度测量仪lZYGO5500超精密表面粗糙测量仪超精密表面粗糙测量仪l临界角法变位测量临界角法变位测量超光滑表面检测技术超光滑表面检测技术TOPO3D粗糙度测量仪粗糙度测量仪超光滑表面检测技术超光滑表面检测技术这是美国这是美国WYKO公司生产的光学面形仪。目前，世公司生产的光学面形仪。目前，世界各国普遍用它来检测超光滑表面粗糙度。这种仪界各国普遍用它来检测超光滑表面粗糙度。这种仪器室应用相移干涉技术原理来测量表面粗糙度。利器室应用相移干涉技术原理来测量表面粗糙度。利用压电陶瓷传感器进行扫描，用用压电陶瓷传感器进行扫描，用CCD面阵作接收器，面阵作接收器，通过接口电路由计算机进

23、行数据处理，最后打印出通过接口电路由计算机进行数据处理，最后打印出所需各种数据。该仪器软件先进，功能齐全，测量所需各种数据。该仪器软件先进，功能齐全，测量精度可达精度可达0.1nm。ZYGO5500超精密表面粗糙测量仪超精密表面粗糙测量仪超光滑表面检测技术超光滑表面检测技术它是用光学外差干涉法来测量表面粗糙度的仪器，干涉仪它是用光学外差干涉法来测量表面粗糙度的仪器，干涉仪系统由防震台、激光器干涉仪、空气轴承回转台、编码器系统由防震台、激光器干涉仪、空气轴承回转台、编码器和光电探测器构成。和光电探测器构成。氦氖激光器发出两个不同频率，其频率差保持为氦氖激光器发出两个不同频率，其频率差保持为250

24、HZ的的平行的偏振光。光线经准直后通过可变换的中性滤光片。平行的偏振光。光线经准直后通过可变换的中性滤光片。光线经反射系统进如干涉仪。光线经干涉后，光线在被测光线经反射系统进如干涉仪。光线经干涉后，光线在被测表面成像。两束光的相位差反应了被测表面上两点之间的表面成像。两束光的相位差反应了被测表面上两点之间的高度差。由于参考光是从同一点反射的，因此相位差的变高度差。由于参考光是从同一点反射的，因此相位差的变化、扫描位置的高度变化就表示了表面的粗糙度。化、扫描位置的高度变化就表示了表面的粗糙度。临界角法变位测量临界角法变位测量超光滑表面检测技术超光滑表面检测技术光学式微小变位传感器是应用临界角检查

25、焦点误差的方法光学式微小变位传感器是应用临界角检查焦点误差的方法来测量表面粗糙度来测量表面粗糙度。当工件表面位于物镜的焦点位置时，通过物镜的反射光成当工件表面位于物镜的焦点位置时，通过物镜的反射光成为平行光束入射到临界角棱镜上。因为棱镜的反射面与光为平行光束入射到临界角棱镜上。因为棱镜的反射面与光线成临界角，因此两个光电二极管接受相同的反射光能而线成临界角，因此两个光电二极管接受相同的反射光能而使差动放大器的输出为零。使差动放大器的输出为零。当把工件移到焦点的左右时，通过物镜的光线就成为发射当把工件移到焦点的左右时，通过物镜的光线就成为发射或会聚光入射到临界角棱镜上，结果使两个光电二极管上或会

26、聚光入射到临界角棱镜上，结果使两个光电二极管上接受的光能量不等，差动放大器就会产生模拟的变位输出。接受的光能量不等，差动放大器就会产生模拟的变位输出。9、静夜四无邻，荒居旧业贫。22.8.1122.8.11Thursday,August 11,202210、雨中黄叶树，灯下白头人。10:15:5910:15:5910:158/11/2022 10:15:59 AM11、以我独沈久，愧君相见频。22.8.1110:15:5910:15Aug-2211-Aug-2212、故人江海别，几度隔山川。10:15:5910:15:5910:15Thursday,August 11,202213、乍见翻疑梦

27、，相悲各问年。22.8.1122.8.1110:15:5910:15:59August 11,202214、他乡生白发，旧国见青山。2022年8月11日星期四上午10时15分59秒10:15:5922.8.1115、比不了得就不比，得不到的就不要。2022年8月上午10时15分22.8.1110:15August 11,202216、行动出成果，工作出财富。2022年8月11日星期四10时15分59秒10:15:5911 August 202217、做前，能够环视四周；做时，你只能或者最好沿着以脚为起点的射线向前。上午10时15分59秒上午10时15分10:15:5922.8.119、没有失败

28、，只有暂时停止成功！。22.8.1122.8.11Thursday,August 11,202210、很多事情努力了未必有结果，但是不努力却什么改变也没有。10:15:5910:15:5910:158/11/2022 10:15:59 AM11、成功就是日复一日那一点点小小努力的积累。22.8.1110:15:5910:15Aug-2211-Aug-2212、世间成事，不求其绝对圆满，留一份不足，可得无限完美。10:15:5910:15:5910:15Thursday,August 11,202213、不知香积寺，数里入云峰。22.8.1122.8.1110:15:5910:15:59Augu

29、st 11,202214、意志坚强的人能把世界放在手中像泥块一样任意揉捏。2022年8月11日星期四上午10时15分59秒10:15:5922.8.1115、楚塞三湘接，荆门九派通。2022年8月上午10时15分22.8.1110:15August 11,202216、少年十五二十时，步行夺得胡马骑。2022年8月11日星期四10时15分59秒10:15:5911 August 202217、空山新雨后，天气晚来秋。上午10时15分59秒上午10时15分10:15:5922.8.119、杨柳散和风，青山澹吾虑。22.8.1122.8.11Thursday,August 11,202210、阅读

30、一切好书如同和过去最杰出的人谈话。10:15:5910:15:5910:158/11/2022 10:15:59 AM11、越是没有本领的就越加自命不凡。22.8.1110:15:5910:15Aug-2211-Aug-2212、越是无能的人，越喜欢挑剔别人的错儿。10:15:5910:15:5910:15Thursday,August 11,202213、知人者智，自知者明。胜人者有力，自胜者强。22.8.1122.8.1110:15:5910:15:59August 11,202214、意志坚强的人能把世界放在手中像泥块一样任意揉捏。2022年8月11日星期四上午10时15分59秒10:1

31、5:5922.8.1115、最具挑战性的挑战莫过于提升自我。2022年8月上午10时15分22.8.1110:15August 11,202216、业余生活要有意义，不要越轨。2022年8月11日星期四10时15分59秒10:15:5911 August 202217、一个人即使已登上顶峰，也仍要自强不息。上午10时15分59秒上午10时15分10:15:5922.8.11MOMODA POWERPOINTLorem ipsum dolor sit amet,consectetur adipiscing elit.Fusce id urna blandit,eleifend nulla ac,fringilla purus.Nulla iaculis tempor felis ut cursus.感 谢 您 的 下 载 观 看感 谢 您 的 下 载 观 看专家告诉