超光滑加工

一、超光滑表面加工技术

  现代科学技术的不断发展对超光滑表面的需求越来越多。所谓的超光滑表面通常是指表面粗糙度小于10Å（rms）的表面，与之相应的加工技术就称为超光滑表面加工技术。

  目前是，超光滑表面的应用主要集中在两个方面：一是一强激光、短波等为代表的工程光学领域。

二是以磁记录头、大规模集成电路基板等器件为主的电子工业领域。

  近年来，超光滑表面加工已成为加工领域争先发展的热点。

1.1超光滑表面加工概述

    超光滑表面加工技术从某中意义上讲是一种“超级”抛光技术。抛光是超光滑表面加工的

关键环节。

    传统的抛光机理认为抛光是磨料对工件的机械磨削、工件表面的热流动、抛光液的化学作用共同作用的结果。然而，对于超光滑表面加工这一理论就不完全实用了。

    现今，超光滑表面加工技术种类很多，很难用同一中理论来加以解释。然而，从已有技

术的材料去除方式来看可大致有以下特点：

（1）以机械磨削去除为注的超光滑表面加工技术。

（2）采用化学方法进行表面去除，实现无破坏层超光滑表面加工。

（3）以物理“碰撞”方法将工件以原子量级去除，实现超光滑表面加工。

2.2几种超光滑表面加工技术的介绍

1、浴法抛光 浴法抛光（bowel-feed polishing）是已有超光滑表面加工技术中所需设备较为简单

的一种。

   它的特点是：抛光过程中液槽使抛光盘和工件浸没于抛光液中，抛光液的深度以静止时淹没工件10~15mm为宜；另有搅拌器，它能是抛光液处于悬浮状态。

   浴法抛光加工超光滑表面可分为两个阶段：

（1）获取较高面形。这一过程类似与传统抛光的面形修改。

（2）获得超光滑表面。

   当选好的磨料、保持抛光盘与工件面形吻合等也是获得超光滑表面的重要因素。

几种材料的浴法抛光的结果

材    料磨    料粗糙度/Å

F4Al2O3（超级--Sol 200A)10

BK-76

Duran50硼硅酸玻璃5.3

Herasil 熔石英5.5

Homosil 熔石英3.3

晶体石英4.4

Zerldur M2.5

2、聚四氟乙烯抛光 聚四氟乙烯（Teflon）抛光最先是由澳大利亚国家计量实验室（NML）为加

工Fabry-Perot干涉仪所用高精度光学元件而提供的。

   聚四氟乙烯抛光盘具有抗老化、耐磨损、可长时间保持面形等优点，既可用于传统抛光又可用于浴法抛光可用于。其关键在于抛光盘的制作。

   抛光盘的制作可分为如下三步：

（1）基底的准备。选择一块膨胀系数较小的材料。

（2）抛光层的制作。先在基底上涂一层增强结合层，然后再涂一层聚四氟乙烯抛光层即可。

（3）抛光盘的修整。并用样板或干涉仪检测。

 值得一提的是，在用聚四氟乙烯抛光盘进行超光滑表面加工加工过程中，由于磨削量小，工件均

应先用传统方法初抛光到1~2波长的面型。此外，不同的材料选用与之相匹配的磨料以及控制好设备的

震动、工件运动的平稳性等也非常重要。

 目前，该技术已在许多材料，甚至与氟化钙、铌酸锂、硅等特殊材料上加工出了超光滑表面。&

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用Teflon抛光盘加工的一些材料的情况

材    料磨    料粗糙度/Å

F4CeO24.1

Al2O3（超级--Sol 200A)浴法抛光7.6

BK-7CeO26.9

Al2O3特殊超级--Sol，浴法抛光

Duran50硼硅酸玻璃CeO27

Al2O3特殊超级--Sol，浴法抛光

Herasil 熔石英CeO24.3

Al2O3（超级--Sol 200A)浴法抛光

Homosil 熔石英CeO24

Al2O3特殊超级--Sol，浴法抛光

晶体石英Al2O3特殊超级--Sol，浴法抛光2.3

Zerldur MCeO24.3

Al2O3特殊超级--Sol，浴法抛光

氧化镁SiO2，浴法抛光6.3

TiO2，浴法抛光

氟化钙SiO2，浴法抛光8.3

铌酸锂SiO2，浴法抛光10.3

硅SiO2，浴法抛光12.3

Al2O3特殊超级--Sol，浴法抛光13.3

  注：未注明抛光方式则为传统抛光。

3、浮法抛光 浮法抛光是以锡盘为抛光盘，采用浴式抛光方式的加工方法。它是一种非接触式抛光方法，机床主轴转动的精度要求很高且转速较快，一般为60~200rpm，是目前超光滑表面加工技术中

加工的工件表面粗糙度最小的方法。

  工作原理：抛光过程中由于离心力、液槽壁、环带及锡盘上的精细螺纹的共同作用，磨盘与工件间形成一薄膜，将工件托起，悬浮于抛光液内的磨料在离心力作用下在液膜内沿径向不断“碰撞”工件表面，以原子或分子量级的去除量不断修整微观隆起，实现超光滑表面加工。利用这一技术可以获得边缘规整，亚表层没有破坏，晶体表面晶格完整的超光滑表面。原子的去除过程，是磨料与工件在原子水平

的碰撞、扩散、填补的过程。

浮法抛光既可软质磨料又可用硬质磨料，关键是磨料的粒度和均匀性。且磨料的接触面积和碰撞概率，提高抛光效率，所用磨料粒度要小，最好为钠米量级，通常为小于20nm。

浮法抛光是一种去除量较小的抛光方法，工件均应先用传统方法初抛光到2~4波长的面型。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1nmRz。德国Ulm大学的欧威（O. Weis）研究表明，对白宝石材料的ø7mm的工件进行抛光，30分钟后达到表面粗糙度小于0.05

nm的结果。

根据去除机理，利用外表面层于主体原子的结合差异，任何材料都可作为磨料去除工件表层的原子，可

以获得无晶格错位与畸变的表面。浮法的抛光