浮法抛光超光滑表面加工技术

浮法抛光超光滑表面加工技术

浮法抛光技术首先出现于日本，是加工超光滑表面的先进技术之一。本文介绍用浮法抛光加工超光滑表面的机械结构和加工过程，与传统的沥青抛光方法进行比较，分析材料去除机理。最后简单介绍我国研究浮法抛光技术的进展。

正文

一、浮法抛光技术的产生与现状

光学零件的加工基本包括切割成型、研磨、抛光三道工序；最终的光学表面质量由抛光决定，因此抛光是最重要的工序。通常高质量光滑表面的抛光是以沥青或纤维等弹性材料作磨盘，配以抛光液或研磨膏来达到技术要求。

近年来，光学及微电子学极大地推动了光学加工技术的发展。大规模或超大规模集成电路对所用基片(通常为硅、锗等材料)的表面精度提出了很高的要求；短波段光学的发展尤其是强激光技术的出现，对光学元件表面粗糙度的要求极为苛刻。表面粗糙度低于1nm rms的超光滑表面加工技术已成为光学及微电子学基础技术领域的重要课题。靠传统的经验依赖性的光学加工方法是不能满足日益发展的光学、电子学要求的。国内外已有许多科学家在探索加工高精度超光滑表面的各种技术。一般原子直径小于0.3nm，而超光滑表面微观起伏的均方根值为几个原子的尺寸，因此实现超光滑表面加工的关键在于实现表面材料原子量级的去除。

1997年，日本大坂大学的难波义治教授发明了浮法抛光(Float Polishing)加工超光滑表面技术。通过使用这项技术，可使刚玉单晶的平面面形达到λ/20，表面粗糙度低于1nm Rz。1987年的研究报告表明，使用浮法技术进行多种材料的抛光实验，对φ180mm的工作，可以达到表面粗糙度优于o.2nm rms，平面度优于λ/20=0.03μm。

目前在日本，浮法抛光技术应用很广泛，尤其是用于录音机、录像机或计算机的磁头生产；每年有2500万个磁头就是采用这项技术制造的。近年来，德国也在研究类似抛光技术。德国Ulm大学的欧威(O. Wei s)研究表明，对白宝石材料的φ7mm的工件进行抛光，30分钟后达到表面粗糙度小于0.05nm的结果。

将浮法抛光样品与普通抛光样品比较可以发现浮法抛光有许多优点。普通沥青式抛光使用硬度大于工件的磨料，也可以获得所谓超光滑表面的粗糙度指标，但对磨盘的平面度的修正很有讲究，这影响到被抛光工件的面形。普通抛光后的工件，其边缘几何尺寸总不太好，经常有塌边或翘边现象；并且在高倍显微镜下可以看到表面有塑性畸变层。

应用浮法抛光法技术获得的超光滑表面，不仅具有较好的表面粗糙度和边缘几何形状，而且抛光晶体面有理想完好的晶格，亚表面没有破坏层，并且由抛光引起的表面残余应力极小。

二、浮法抛光机的机械结构与抛光过程

浮法抛光机的机械构造类似于定摆抛光机。在对工件进行浮法抛光前，被加工工件首先要进行预抛光，干燥。就可以浮法抛光。

抛光过程中，抛光液随磨盘旋转；由于流体运动产生动压，工件与磨盘之间形成一层薄薄的液膜，使得工

件浮在磨盘上旋转，保持软接触。液体旋转时的离心作用使抛光液中粒度稍大的颗粒被甩到四周，并渐渐沉到底部，这样夹在磨盘与工件间的液膜中的磨料越来越精细均匀；被加工光学表面越来越光滑，最后达到超光滑。

工件的面形主要由磨盘面形决定，浮法抛光中，由于锡材料本身的特性，其硬度及流动性适中，在抛光中锡盘的磨损可以忽略，因而锡盘的平面度是很容易控制的；这样保证了工件面形的稳定性。传统抛光的经验性主要是由于沥青盘的抛光中变形决定的；使用锡盘后，这种经验性抛光就可以成为稳定抛光。

三、浮法抛光的去除机理

浮法抛光表面粗糙度可达到亚纳米量级，接近原子尺寸，工件材料的去除是原子水平上进行的。工件表面原子在磨料微粒的撞击作用下脱离工件主体，从而被去除。原子的去除过程，是磨料与工件在原子水平的碰撞、扩散、填补过程。

四、磨料的选取

根据去除机理，利用外表面层与主体原子结合能的差异，任何材料都可作为磨料去除工件表层原子，可以获得无晶格错位与畸变的表面。

在进行浮法超光滑表面的抛光中，选择合适的材料作为磨料很重要。一般用于浮法抛光的磨料为粒度约7 nm的SiO2微粉。

综上所述，浮法抛光技术的关键在于：

高面形精度的锡盘，以此来保证工件面形的高精度。

粒度小于20nm的磨料，目的在于增大工件与磨盘的接触面积，增多磨料颗粒与工件表面的碰撞机会，达到原子量级去除的目的。

抛光液将工件和磨盘浸没，靠流体作用形成工件与磨盘间液膜，为磨料颗粒与工件的碰撞提供环境。五、我国的研究现状

长春光机所应用光学国家重点实验室，在短波段光学的带动下，从1992年开始研究浮法抛光技术，已研制出一台抛光原理样机，并进行了大量实验。目前对K9玻璃样片的抛光实验结果表明，表面粗糙度优于1nmRa。所使用磨料粒度约为25nm。有关实验正在继续进行，并且一台高精度的浮法抛光实验样机正在研制中。

手工抛光基础知识

手工抛光是用时间和经验而获得的一项技术。本章讨论手工抛光的一些基础知识。

用沥青抛光光学表面称为光学抛光。沥青抛光模或抛光工具是用一种混合抛光材料制成的，在标准室温条件下，抛光层稍有塑性流动。抛光光学表面采用两种型式的沥青抛光模。第一种是网格型式，在大网格面上压制出更小的网格面形。第二种是带有粗槽线的整体型式。

沥青胶配方

沥青胶的配方一般对同行是保密的，每一个光学技工都有其喜爱的沥青抛光胶的配方和方法。因此，并不限制他们在胶锅里混入些什么东西。管理人员和公司通常只坚持一个方针，就是要求每个新的光学技工采用标准的沥青胶配方。下面列出某些典型的抛光沥青胶的配方。

按重量比：

D光学胶1磅（453.6g）加石蜡1盎司（28.35g）

D光学胶1磅加石蜡2盎司（抛光修整用）

D光学胶1.5磅加OZHINITE3/4盎司和松香柏油5盎司

D光学胶2磅加ZORPHALAC2磅

2)号和3)号沥青抛光胶用于抛光冕牌玻璃、派勒克斯玻璃、窗玻璃和石英晶体。4)号沥青胶用于抛光稀土玻璃和火石玻璃。

后来D.亨德里克斯根据一条简单规则把沥青胶配方划为类似化合物的混合物。例如，沥青胶中松香从松树得到，蓖麻油或亚麻仁油是植物油，故称为植物性混合物。D光学胶是从炼油厂得到的软沥青化合物混合而成的无机物或无机物的混合物。

亨德里克斯研究了若干种沥青胶的配方：

按重量比：

无色透明松香5磅，蓖麻油6盎司。

D光学胶2磅，亚麻仁油6盎司。

D光学胶2磅，松香柏油4盎司，蜂蜡1.5磅，加1～3匙松节油，然后调均匀。

采用的沥青配方是5磅无色透明的松香和6盎司松香柏油（液态），可以预先置好沥青胶以作准备用。佐贝尔（Zobal）牌号有软沥青胶和硬沥青胶。这种胶是透明的，加一些较软的胶可以使较硬的胶软化。万能虫胶供应公司（Brooklyn，NY）提供的No450中硬抛光胶是广泛使用的胶。该公司也提供各种不同硬度和熔化范围的布尔根德（Burgundy）沥青胶。W.蒂查（Wn Dixon）和其公司（Newark，NJ）是又一家提供优质光学沥青胶的公司。有些进口沥青胶也是很好的并能保证质量。虽然没有各种配方的完整规格，但沥青胶是可以根据特殊需要而专门研制的。

沥青胶硬度的测量

沥青胶硬度有几种测量方法。一般采用针入度计，该仪器在压有0.5kg铜重块的滑杆上固定一只直径为6 mm的轴承钢球。在圆柱体滑杆上固定一只每英寸1000分到处圆度盘，5min以后读出轴承钢球穿入沥青胶的数值（见图3.1）。

许多早期的光学技工用拇指甲以约为2～3磅的压力在1～2s钟内压入胶内，其它测量方法是仿效该法得到的。拇指甲压胶虽是一种粗略的方法，但可以设计出一只带有锐边的轮子，棒的支点到轮子的长度为1 0cm，棒上穿一个重为8盎司的铜重块，60s后测量轮子刀刃穿入沥青胶的宽度和深度（见图3.2）。

图3.1测试抛光沥青胶硬度的典型沥青胶针入度装置

图3.2类似于拇指甲测试沥青胶硬度的另一种设计方案

虽然采用加重块的穿入方法更为精确，但它的缺点是因沥青胶的雾气凝聚在测杆上，而使昂贵的千分表渐渐失去精度。

机器抛光或手工抛光所采用的沥青胶的硬度是可以测量的。应该在室温70～72°F。抛光派勒克斯玻璃、石英晶体、冕牌玻璃和陶瓷玻璃时测量针入度的度盘读书应该为0.012～0.016in。具有这样针入度数值的