超光滑超準(zhǔn)確玻璃拋光新技術(shù)

【中玻網(wǎng)】玻璃拋光歷史悠久，中世紀(jì)歐洲制造玻璃鏡時(shí)，采用了粗磨、細(xì)磨和拋光，我國(guó)乾隆玻璃的拋光質(zhì)量已很高。目前除了平板玻璃、器皿玻璃、藝術(shù)玻璃應(yīng)用傳統(tǒng)的拋光技術(shù)外，先進(jìn)的光學(xué)制造、微光學(xué)制作、IT及光電子行業(yè)的基片制作均需要超光滑和超準(zhǔn)確拋光技術(shù)，如平板顯示器(FPD)普通Genii型的粗糙度Ra<20nm，有源矩陣a-SiTFT和P-SiTFT基片玻璃的粗糙度均要求小于5nm。光盤(pán)和磁盤(pán)基片玻璃要求表面粗糙度為1〜6nm，哈勃望遠(yuǎn)鏡的輕型主鏡拋光后粗糙度達(dá)12nm，這些超光滑和超準(zhǔn)確要求，促進(jìn)了拋光新技術(shù)的發(fā)展。
　　
　　超光滑拋光(Super-smoothpolishing)指拋光后表面粗糙度達(dá)到納米級(jí)，從零點(diǎn)幾納米到幾十納米。超準(zhǔn)確拋光(ultra-precisionpolishing)指拋光時(shí)精度是分子或原子級(jí)的拋除，也就是加工精度為納米級(jí)。超光滑拋光和超準(zhǔn)確拋光是緊密聯(lián)系在一起的，但也略有區(qū)別，超光滑拋光著重于拋光后表面光滑程度，而超準(zhǔn)確拋光后的面形達(dá)到原設(shè)計(jì)的精度，兩者均可用表面粗糙度來(lái)表示，近代的拋光新技術(shù)，使加工后玻璃表面粗糙度顯著降低，如采用浴法(BFP)拋光，玻璃表面粗糙度可達(dá)到0.27nm，浮法拋光表面粗糙度可小于0.2nm。
　　
　　拋光新技術(shù)可分為接觸式拋光和非接觸式拋光兩大類(lèi)型。接觸式拋光包括數(shù)控小工具拋光、應(yīng)力盤(pán)拋光、浴法拋光(BFP)、浮法拋光、磁流變拋光等。非接觸式拋光主要指離子束拋光、等離子體輔助拋光、電子束拋光和激光拋光。本文除了評(píng)述各種方法的特點(diǎn)外，要點(diǎn)闡述離子束拋光與電子束拋光。
　　
　　1接觸式拋光新技術(shù)
　　
　　接觸式拋光是由傳統(tǒng)的拋光盤(pán)模式發(fā)展而來(lái)，與傳統(tǒng)的拋光相比，采用數(shù)字控制（CNC)機(jī)床運(yùn)行、新型的拋光工具（如應(yīng)力拋光盤(pán)、磁流變拋光盤(pán)）與納米級(jí)超細(xì)拋光劑。
　　
　　數(shù)控小工具拋光技術(shù)是用計(jì)算機(jī)數(shù)控小工具拋光模（拋光頭）對(duì)玻璃表面進(jìn)行拋光，根據(jù)所建立的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)拋光頭在玻璃表面上的運(yùn)動(dòng)途徑，相對(duì)應(yīng)力與駐留時(shí)間來(lái)控制拋除量，可以制備大中型非球面光學(xué)零件。此種拋光設(shè)備由拋光機(jī)床、實(shí)時(shí)干涉測(cè)量以及數(shù)字控制系統(tǒng)（CNC)組成。Itek公司制造的4m數(shù)控小工具拋光機(jī)，非常大拋光玻璃鏡片直徑可達(dá)4m，拋光效率明顯提高，時(shí)間只用四周，而傳統(tǒng)經(jīng)典方法達(dá)到同樣效果需要1年。Parkm-Elmer采用此技術(shù)，拋光望遠(yuǎn)鏡鏡片，較終面形粗糙度為12nm。
　　
　　應(yīng)力拋光盤(pán)技術(shù)(stressedlappolishing)系米用大尺寸剛性材料作為基盤(pán)，在周邊可變壓力作用下，盤(pán)的表面可隨時(shí)改變所需要的面形。在拋光過(guò)程中，安裝于應(yīng)力盤(pán)上驅(qū)動(dòng)器根據(jù)計(jì)算機(jī)發(fā)出的變形盤(pán)相對(duì)鏡面位置和方向的指令，改變邊緣力矩的大小，使應(yīng)力盤(pán)始終與被拋光玻璃的非球面光學(xué)表面相匹配。
　　
　　美國(guó)亞利桑那大學(xué)Steward天文臺(tái)大尺寸鏡片實(shí)驗(yàn)室用應(yīng)力盤(pán)拋光技術(shù)加工大尺寸高陡度非球面反射鏡，表面粗糙度達(dá)到全口徑20nm。
　　
　　浴法拋光(Bowl-FeedPolishing)簡(jiǎn)稱(chēng)BFP方法[6]，也稱(chēng)水中拋光法，玻璃和拋光模同時(shí)都浸在拋光液的拋光方法，拋光時(shí)產(chǎn)生摩擦熱均可擴(kuò)散到拋光液中，不致使玻璃和拋光工具的溫度升高很多，玻璃的熱變形和拋光模的塑性流動(dòng)達(dá)到較小，從而可用純浙青作為拋光模對(duì)玻璃進(jìn)行拋光，使玻璃表面非常光滑。拋光時(shí)采用較細(xì)的拋光粉和很低的拋光壓力，拋光較后階段還可用稀釋的拋光液或清水拋光，均有利于降低表面粗糙度。
　　
　　以超細(xì)氧化鋁粉為拋光劑，采用浴法拋光工藝，不同品種玻璃拋光后的粗糙度分別為：火石玻璃(F4)0.76nm，硼桂酸鹽玻璃(Duran50)0.16nm，溶融石英玻璃0.34nm。
　　
　　浮法拋光(floatpolishing)[7][8]指拋光模與被拋光玻璃之間保帶有厚度數(shù)倍于拋光粉顆粒尺寸的液體層；換言之，玻璃在幾微米厚的拋光液薄層上被拋光，拋光模采用硬度比平常用浙青或樹(shù)脂更高的材料如錫制成，玻璃與拋光模之間相對(duì)速度很大，達(dá)1.5〜2.5m/s;而壓力為70〜500Pa，較一般拋光盤(pán)壓力高十幾倍；拋光劑用CnOs或MgO。拋光過(guò)程中，拋光劑在離心力作用下，在液體膜內(nèi)沿徑向不斷碰撞玻璃，以原子或分子級(jí)不斷拋除玻璃。
　　
　　Corning公司用浮法拋光對(duì)溶融石英玻璃(ULE)和Schott公司的低膨脹微晶玻璃(Zerodur)進(jìn)行拋光，表面的粗糙度都小于0.2nm。
　　
　　磁流變拋光(magnetorhelogicalfinishing)[9][w]是利用磁流變拋光液在磁場(chǎng)中的磁流變形成柔性?huà)伖饽�，�?duì)玻璃表面進(jìn)行拋光。磁流變拋光液為黏塑性介質(zhì)，當(dāng)按一定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，連綿不斷切過(guò)玻璃表面時(shí)，磁流變拋光液中的拋光粉，借助玻璃與磁流體之間的壓延與剪切變形力實(shí)現(xiàn)對(duì)玻璃表面的拋除。
　　
　　采用磁流變拋光方法在不到2min的拋光時(shí)間，就使玻璃表面面形偏差達(dá)到m0，粗糙度小于1mm。20世紀(jì)末即已制造生產(chǎn)出商用Q22型計(jì)算機(jī)控制磁流拋光機(jī)供應(yīng)市場(chǎng)。
　　
　　2非接觸式拋光
　　
　　非接觸式拋光打破了用拋光工具接觸玻璃表面拋除的模式，采用了高能量密度束流進(jìn)行拋光或用等離子體輔助拋光。高能量密度束流指高達(dá)108〜109W/cm2功率密度的離子束、電子束和激光束，其中已實(shí)際應(yīng)用的為離子束。
　　
　　離子束拋光是將惰性氣體如Ar、Kr、Xe及N原子在真空度為1.33Pa條件下用高頻或放電等方法使其成為離子，再用20〜25KeV的電壓加速，然后撞擊到放在真空度為1.33x10_3Pa真空室的玻璃表面，從而使玻璃以原子級(jí)被拋除。
　　
　　離子束拋光是20世紀(jì)末光學(xué)玻璃制造上的創(chuàng)新，1990年美國(guó)EastmanKodak公司即研究了實(shí)用化的計(jì)算機(jī)控制的Kodak2.5m五束數(shù)控離子束拋光系統(tǒng)，將直徑1.3m熔融石英(ULF)鏡面拋光，對(duì)直徑1.3m花瓣形離軸非球面鏡加工精度達(dá)到0.01^m。

　　由于離子束拋光需要專(zhuān)門(mén)的離子拋光機(jī)，本文作者曾將國(guó)內(nèi)常見(jiàn)的離子注入機(jī)進(jìn)行離子束拋光，采用束流能量25keV，束流強(qiáng)度150^A/cm2，劑量為1x1014ions/cm2和1x1017ions/cm2的N+離子對(duì)鈉鈣玻璃和中鉛玻璃進(jìn)行離子束拋光，拋光前后玻璃表面形貌用MEF3型金相顯微鏡觀(guān)察并拍攝照片。