同学们好！大家辛苦了！感谢 大家本次配合、认真学习2010.10.07抛光机理及加工参数设定 目前中国光学研究最权威学府、最资 深教授所出教材（浙江大学曹天宁教 授毕生研究总结）一、玻璃的本质 玻璃是由玻璃材料的熔体 过冷所得的一种无定形物 质，即为玻璃科学上称之 为“过冷的液体”。由于粘 度逐渐增加而呈现固体的 外部特征。玻璃态材料没 有熔点，只有一个Tg与Tf 之间的温度范围，称之为 玻璃的固化温度范围（图 一），Tg为转化点，Tf为 软化点。结构特性类似于 液体 1.过冷液体的特性对玻璃、液体、气 体和晶体的X射线 散射试验，玻璃的 散射曲线与液体类 似，不同于固体（ 晶体）（图二）。2 .玻璃的结构20面体，科学家最新發现。一直来存在二 种最流行的学 说！晶子说和 不规则网络说 。苏联学者 AA列别捷夫 （eee） 于1921年提出 晶子说，认为 玻璃由无数“晶 子”组成。晶子 是带有点阵变 形的有序排列 区域（图三）图三 玻璃結構 不规则网络说由荷兰学者查哈里阿生（ Zachariasen）于1932年提出，在石英玻璃中是 硅氧四面体SiO4，通过顶角连接的三度空间网络 。其排列是无序的，钠玻璃就在四面体空隙中无序 地分布着钠离子。2008年在“自然材料科学”（Nature Material Science）科学家首次揭开玻璃结构的双 重特性。英国布里斯托尔大学的帕特里克罗亚尔 实验证明：玻璃分子具有5个方面都对称的20面体 结构，但不能结晶成固体，也不具备液体自由流动 的特性。 利用这一发展，可以制造20面体金属，形成新型 的“金属玻璃”材料，耐高压、高强度，是飞机机翼 首选材料。3.玻璃的生成体、中间体和网络外体从分子结构来考察玻璃的结构，我国光学玻 璃 专家干福熹院士对光学玻璃作了结构分析 ：SiO2、B2O3、P2O5作为玻璃的形成体形成 了硅酸盐玻璃，硼酸盐玻璃和磷酸盐玻璃。 SiO4是硅氧共价键连接，是玻璃的核心。Na2O、K2O、PbO、BaO等都是网络外体 ，是离子键连接。连接力较差，有的氧化物容 易被置换和水解析出，而Al2O3则是中间体， 介于二者之间。3. 玻璃的组成与特性的关系最常用最普遍是硅酸盐玻璃。下面硅酸盐玻璃 中均以SiO2为主要成分，B2O3与Al2O3的加入 大多为高硼硅酸盐玻璃，使之大多形成耐热的 低膨胀系数玻璃，与常用光学玻璃K9、光学石 英玻璃作一个比对（表一）。从表一可以看出，除了贵重的石英玻璃有很低 的热膨胀系数外，QK2、G.G-17与Pyrex玻璃 的组分与热膨胀系数基本一致。K4与硬质玻璃 近似。而K9则不属高硼硅酸盐玻璃，而属于典 型的硅酸盐玻璃。它的热膨胀系数比Pyrex玻璃 高一倍。牌号 组组分%光学石 英玻璃Pyrex 7740硬质质 玻璃G.G- 17光学玻璃K4QK2K9 SiO210078807680.563.7080.0969.13 B2O312.51 3.51312.751012.4010.75Al2O32241.48K2O1.50.46.29Na2O6.547.85.0210.40BaO3.07密度 (g/cm3)2.212.232.362.232.52.272.52X10-75.8324932493576 硬度77776.576.5表一 高硼硅玻璃与K9的比对对二、抛光机理玻璃的抛光是在玻璃完成上道工序研磨或磨削 以后的凹凸层表面上进行抛光工作。抛光以后 应达到如下要求： 去除凹凸层，使表面光亮，达到一定的粗糙 度级 别（RZ0.025 ） 对于光学表面，还有面形精度（N和N或Pv 值） 大部分抛光表面要求没有划痕、没有麻点， 光学 表面要达到光学表面疵病级别B 抛光的机理有纯机械说、化学学说、流变学说和机械化学 说（Mechanial Chemical Polishing），我认为后一个 学说比较全面地揭示了玻璃抛光的机理，提出这个学说的 是苏联院士格列宾雪柯夫（peeHeKOB），他认为 抛光是一个机械的、化学的和物理化学的综合过程。玻璃研磨或磨削后的玻璃表面形貌如图四所示，表面形 玻璃成了凹凸层与裂痕层。抛光的任务是要去除凹凸层与 裂痕层。下面以氧化铈抛光粉悬浮液对硅酸盐玻璃抛光为典型例 子说明抛光机理。玻璃表面产生水解反应：H2SiO3是一层硅酸盐凝胶，它 保护了表面不再水解，它是一层 疏松的组织，在抛光模的压力（ P）与相对运动速度作用下，去 除了表面顶层的凝胶层，新的表 面又水解、去除，一直到裂痕层 去除，完成了抛光过程（图五） 。图五 抛光过程 基于抛光的机理我们研究一下抛光工艺因素对抛 光过程的影响。 1.机床的压力和速度 在一定范围内，抛去量与机床的正压力和 相对速度成线性上升关系（图六），可以 用著名的抛光方程Preston方程来表达 ：hi在Pi点T时间内抛去玻璃层厚度 Pi在Pi点的瞬时正压强 Vi在Pi点的瞬时相对速度 抛光时其它工艺因素图六 抛去量与机床的正压力的线性關系2氧化铈抛光悬浮液的参数 1）抛光粉的牌号氧化铈抛光粉的牌号是否适合被抛光玻璃的种类和牌号 ，例如工艺品抛光宜选用较粗的粒度（29m）的抛光粉 ，而光学件和电子玻璃宜选用中等或细的粒度（0.12m ）的抛光粉，而硅片锗片等的抛光则需要微粉级（0.1m ）的抛光粉。2）抛光液的供给量抛光液的供给量在一 定条件下有一个适中值 ，过高过低均会降低抛 光效率（图七）。图七 抛光液的供给量的的适中值3）抛光液的浓度氧化铈：水=1:5或更稀。速度、压力高时可以加浓。 4）抛光液的酸度值（pH值）通常抛光液的pH值在39之间（图八）。5）抛光液的添加剂在氧化铈抛光液中加入 硝酸铈(NH4)2Ce(NO3)6 、氢氧化铈Ce(OH)4和硫 酸锌（ZnSO4）都能提高 抛光效率。因为它们中的 阳离子对玻璃表面的阴离 子有吸附作用。图八 抛光液的酸度值图6）抛光液的温度抛光过程的摩擦热、化学反应热、液温和工房温度都 会影响到玻璃表面温度。温度高，化学反应加速，提高 抛光效率。温度过高会使抛光不正常。 7）抛光模的类型古典法抛光用柏油模，采用低压低速低温；高抛用聚 氨酯抛光，可以高压高速高温；如果采用固着磨料抛光 片或固着磨料抛光模，则不用抛光粉悬浮液，采用冷却 液。不仅高压高速，而且更易于达到定时定光圈，工件 清洗容易，工房环境清洁度提高。 8) 细磨表面的质量对表面的粗糙度与面形有一定的要求，表面质量直接影 响抛光的效率。三、抛光粉 1.抛 光粉 的种 类及 其特 性 玻璃 抛光 粉有 Fe2O 3、 CeO 2、 Zr2O 3、 SiO2 、 Al2O 3和 Cr2O 3。其 特性 见表 二。表二 各种抛光粉特性三氧化二 铁铁 （Fe2O3）氧化铈铈 （CeO2 ）氧化锆锆 （Zr2O3）氧化硅 （SiO2 ）氧化铝铝 （Al2O3 ）氧化铬铬 （Cr2O3 ）外观观深红红、褐 红红白、黄 红红白、黄白白绿绿密度 /(g/cm3)5.15.377.35.77.22.73.445.2颗颗粒外形球形多边边形晶系斜方立方单单斜六方等轴轴、六 方六方点阵结阵结 构刚刚玉点阵阵萤萤石点 阵阵 熔点/1560 15702600270027151610202019902. 对抛光粉的主要要求 抛光眼镜片和工艺品要求抛光粉有高的抛光效率与耐磨性 ；抛光高科技领域的高精度超光滑表面则要有好的面形精 度，小的表面粗糙度和高的表面疵病等级。 对抛光粉的基本要求为： 外观均匀一致，不含有机械杂质； 粒度均匀； 有一定的硬度，一般比被抛材料稍硬； 具有一定的晶格晶形和晶格缺陷，化学活性较高，并有适 当的自锐性； 有良好的分散性（不易结块）和吸附性，抛光时不易聚集 和流失； 合适的pH值，化学稳定性好，不腐蚀工件。3氧化铈抛光粉的特性探讨 1）氧化铈抛光粉的分类 按氧化铈的原材料和制造方法不同，将抛光粉分 成两大类： 第一类：氧化铈抛光粉用独居石或氟碳铈镧 矿为原料，经过萃取法或分离法，而得到抛光粉 ，工艺较复杂，流程较长，装备要完整，如果向 原料厂购入预处理好纯度在90%以上的抛光粉或 中间体（如草酸铈、碳酸铈），经过煅烧、磨细 和分级得到抛光粉。工艺比较简便，根据需要， 可以进行淬硬处理。第二类：混合稀土抛光粉用稀土元素的盐 类（如氯化稀土，砂酸铈等）为原料，用硅氟 酸（H2SiF6）和碳酸铵（NH4）2CO3）处 理得到沉淀物，经焙烧而得抛光粉，含铈量较 低，4050%，抛光效果好，不需淬硬处理，但 焙烧温度根据需要可以选择。例如需要获微米 级细颗粒混合稀土抛光粉，可以选择 600700焙烧，得到CeO2含量80%，D50小 于1.5m，比表面积在6m2/g以上的抛光粉。图九 显示了不同温度煅 烧的抛光粉的X衍射， 400时已经结晶化， 900时结晶化比较完 善。图九 不同温度煅烧的抛光粉的X衍射 但从粒度和比表面 积看（图十）， 600700为最佳 ，粒度小，比表面 积大。图十 粒度和比表面积图十一 不同温度煅烧的抛光粉的抛光效率氧化铈抛光粉按氧化铈的含量分成三个牌号（表三） 高铈抛光粉CeO2含量为95%以上，呈白色，一般称白粉； 富铈抛光粉CeO2含量为8095%之间，浅黄色，一般称黄粉； 低铈抛光粉CeO2含量为4050%之间，黄红色，也称黄粉。表三 氧化铈抛光粉的技术要求混合稀土抛光粉含稀土氧化物高、含氟量 高，具有很好的抛光效率（表四） 表四 混合稀土抛光粉含氟量高2）氧化铈抛光粉的粒度及其分布，粒度越大，抛光时压力就越大，抛光 效率就越高，但表面粗糙度会越粗。 根据抛光材质和精度要求，选用不同粒度的抛光粉，按粒度D50分类： 粗粉（微米级）：210m 用于工艺品和眼镜片、平板玻璃 细粉（亚微米级-微米级）：0.12m 用于光学零件 微粉（诺米级）：0.1m 用于硅片、锗晶体抛光效率和、D50及分布曲线有关（图十二） D50越大，抛得越快。 Dmax越大，容易出划道。所以要控制Dmax不要过大。图十二 抛光效率 和、D50及分布曲 线3）氧化铈抛光粉的硬度及淬硬温度 硬质玻璃的莫氏硬度为7，光学玻璃为56.5，氧化铈抛 光粉为6.58。通常要求抛光粉的硬度稍高于被抛光玻璃 。硬度高耐磨性好；硬度高，抗破碎强度大，抛光粉的粗 颗粒不易破碎，容易产生划道，而且晶格缺陷少，比表面 积低，化学活性低，影响抛光效率的提升。对于硬质玻璃 ，应该采用淬火处理后的氧化铈抛光粉，提高了硬度，从 而提高了抛光效率和耐磨性。 4）混合稀土抛光粉的氟化特性 混合稀土氧化铈抛光粉的含氟量高，5.67.5%，氟的存 在有昨于提高抛光效率，因为氟使抛光粉团聚体解体成晶 粒，晶粒具有高耐磨性和活性。平板状的六面体晶格结构 有好的抛光效率。5）混合稀土抛光粉 中的固溶体抛光特性 混合稀土抛光粉，含 铈量低，仅4050% ，为什么还有好的抛 光效率呢。因为稀土 氧化物中除氧化镨 Pr6O11具有萤石型 立方结构外，其他镧 系氧化物（包括 Pr2O3）没有抛光能 力，但是和CeO2组 成固溶体，使晶形变 为萤石型和六方型（ 图十一）获得很好的 抛光能力。图十三 混合稀土抛光粉中的固溶体6）氧化铈是一种两性氧化物 氧化铈适合抛光硅酸盐玻璃另外一个理由是它的两性氧化 物特性，既能和碱起化学反应变成盐，也可以和酸反应变 化盐，其活性优于其他抛光粉。 7）氧化铈的酸度值pH 通常pH值应该适当，颗粒度大时要求pH大一些，因为pH 值有助于抛光颗粒不重新结聚，pH值通常为510。 8）氧化铈抛光粉的密度 古典法抛光或低束环抛时应该用密度高的抛光粉（7g/cm3 ），高速抛光则用轻一点的抛光粉（66.5g/cm3）。