微晶玻璃超光滑表面抛光方法与工艺技术.doc

微晶玻璃超光滑表面抛光方法与工艺技术 微晶玻璃超光滑表面抛光方法与工艺技术 杨志甫刘秭房建国 （北京航空精密机械研究所精密制造技术航空科技重点实验室，北京Ｔ０００７６） 摘要：超光滑表面在现代工业和国防领域的应用越来越多，但由于其对加工工艺和环境以及设备 的要求苛刻，使得超光滑表面的获得还存在较大难度。针对激光陀螺反射镜常用微晶玻璃的加工工 艺，本文介绍了一种较为成熟的超光滑表面加工方法一一定偏心浸液式抛光，采用这种方法进行多 次微晶玻璃超光滑表面的工艺实验，稳定地获得了埃量级的超光滑表面，精度可达平面度０．０４１ ｕ ｍＰ－Ｙ／０６０ｎｒ咀，袁面粗糙度Ｒａ０．３２ｒｉｍ。 关键词：微晶玻璃；超光滑表面；定偏心浸液式抛光 １引言 微晶玻璃是一种应用广泛的光学材料，除了具有良好的光学性能外，它还具有许多宝贵的性能， 如调节其组成成分及热处理方法可使膨胀系数在一１２～２００Ｘ １０’７，℃的大范围内变化，机械强度高，化学稳定性和电性能好，使用温度高及坚硬耐磨等。因此，在许多领域得到广泛应用。它既可制作大型光学仪器、天文望远镜重达几十吨的主镜，也可制作质量只有几克的激光陀螺反射镜片，还可用来制作超精密机床的主轴、大容量的计算机硬盘的基板等，应用范围不断扩大【７】。就目前来说，微晶玻璃在光学应用中最为常见，譬如上述的硬盘基板和激光陀螺反射镜基片等，其精度要求也非常之高，都要求达到埃量级的表面粗糙度和极高的面形精度，也即超光滑表面。因此有必要研究微 晶玻璃的超光滑表面加工工艺，进一步扩大微晶玻璃的应用范围。２超光滑表面抛光的技术要求与加工方法 由于超光滑表面加工已经进入纳米、亚纳米加工尺度，对工艺过程和操作技术的要求非常严格，ＣＯ｝玎三Ｉ也ＮＴ公司在论述超光滑光学表面的加工时【９１，认为要满足以下四个条件：ａ）先进的加工设备：ｂ）现代化的测试仪器：ｃ）严格的过程控制；ｄ）高超的加工技艺。很显然，这里明确的说出了超光滑光学表面目前还不是机械化的大批量生产，制造过程中要有人的干预，去严格的控制工艺过程，发挥出人的技艺，才能加工出超光滑光学表面。 在常规加工技术中，能够获得最佳表面粗糙度的方法是光学抛光。研磨、抛光属于散粒抛光粉加工范畴，是人类社会发展中最古老的加工方法，也是最常用的制造光滑镜面的技术。然而要获得超光滑表面，必须对原有的加工技术进行变革或采用新原理的加工方法，随着人们对亚纳米量级光滑表面形成机理认识的深入和超光滑检测技术水平的提高，出现了许多应用化学、磁学、流体力学和能量场原理加工超光滑表面的新方法。具体来说，目前主要有以下几种加工方法： （１）常规设备抛光 目前常用的光学加工设备有多轴抛光机，如两轴抛光机、四轴抛光机等。先将玻璃基片毛坯粘在一块垫板上，然后再把载有基片的垫板粘到一个可以转动的铁盘上，抛光模和一个可以往复运动的杠杆臂相连。载有基片的垫板不停的旋转，使材料在各个方向上的去除量是均匀的。抛光模容纳着抛光剂的悬浮液，抛光剂颗粒嵌入抛光模中，抛光液在铁盘的运动过程中，不断的涂覆在被加工的基片表面上，并产生对材料的切削作用Ｉｌ儿Ⅶ引。 （２）浴法（Ｂｏｗｌ—Ｆｅｅｄ）抛光将常规抛光设备作适当改动，把抛光模和载有被抛光基片的垫板都浸在一个容器内的“水面下”，抛光剂悬浮于水中，并且被不断地搅动起来。实际上，这是抛光剂的自磨砺的过程，抛光剂不断的细化，同时也抛出了高质量的超光滑光学表面。 （３）浮法（ＦＩｏａｔ）抛光这种方法是日本学者难波义治首先提出的，是一种比较新的抛光技１３０ 航空学会２００７年学术交流论文集术，类似于Ｂｏｗｌ－Ｆｅｅｄ方法中的水下抛光。抛光模用金属锡做成，上面车出密排的很细的环形槽，这是一种准接触抛光方式，被抛光的工件就“悬浮”在这些环形槽的上面。抛光剂是胶体的Ｓｉ０２微粒，其粒径多用７ｎｍ。 （４）浅低温抛光这是一种新型抛光方法，由中科院长春光机所韩荣久等人提出并进行了实验，通过降低温度改善材料加工性能而加工出超光滑表面Ｈ１。抛光精度达到Ｒａ０．４ｎｍ，这种方法抛光效果和效率都很好，但对设备条件和面形控制技艺都有较高的要求瞪１【６１。３微晶玻璃的的特性和微观结构 微晶玻璃是六十年代发展起来的新型光学材料，它是按制作“２０．Ａ１２０３—．ｓｉ０２系统玻璃所采用 的方法进行熔炼和成型的，然后进行高温热处理。热处理时，玻璃经历了两个阶段，第一阶段是在玻璃内部各处形成晶核；第二阶段形成晶核的玻璃在晶体生长过程中，逐渐转变为陶瓷，放又称为玻璃陶瓷。微晶玻璃与普通玻璃的主要区别是具有结晶的结构，而与陶瓷的主要区别是它的结晶结构要比陶瓷细得多。由于玻璃陶瓷是在均匀的玻璃基体内，通过晶体生长来制造的，所以最后制得的材料是非常均匀而致密的。微晶玻璃在热处理中析出大量负膨胀系数的微小晶相颗粒，使微晶玻璃的整体在某一温度区域