玻璃抛光技术创新再上新高

发布时间:2016-10-06 17:17:44      来源:本站       阅读:395

玻璃抛光
 
  玻璃抛光历史悠久,中世纪欧洲制造玻璃镜时,采用了粗磨、细磨和抛光,我国乾隆玻璃的抛光质量已很高。目前除了平板玻璃、器皿玻璃、艺术玻璃应用传统的抛光技术外,先进的光学制造、微光学制作、IT及光电子行业的基片制作均需要超光滑和超精密抛光技术,如平板显示器(FPD)普通Genii型的粗糙度Ra<20nm,有源矩阵a-SiTFT和P-SiTFT基片玻璃的粗糙度均要求小于5nm。光盘和磁盘基片玻璃要求表面粗糙度为16nm,哈勃望远镜的轻型主镜抛光后粗糙度达12nm,这些超光滑和超精密要求,促进了抛光新技术的发展。
  
  超光滑抛光(Super-smoothpolishing)指抛光后表面粗糙度达到纳米级,从零点几纳米到几十纳米。超精密抛光(ultra-precisionpolishing)指抛光时精度是分子或原子级的抛除,也就是加工精度为纳米级。超光滑抛光和超精密抛光是紧密联系在一起的,但也略有区别,超光滑抛光着重于抛光后表面光滑程度,而超精密抛光后的面形达到原设计的精度,两者均可用表面粗糙度来表示,近代的抛光新技术,使加工后玻璃表面粗糙度显著降低,如采用浴法(BFP)抛光,玻璃表面粗糙度可达到0.27nm,浮法抛光表面粗糙度可小于0.2nm。
  
  抛光新技术可分为接触式抛光和非接触式抛光两大类型。接触式抛光包括数控小工具抛光、应力盘抛光、浴法抛光(BFP)、浮法抛光、磁流变抛光等。非接触式抛光主要指离子束抛光、等离子体辅助抛光、电子束抛光和激光抛光。本文除了评述各种方法的特点外,重点阐述离子束抛光与电子束抛光。
  
  1.接触式抛光新技术
  
  接触式抛光是由传统的抛光盘模式发展而来,与传统的抛光相比,采用数字控制(CNC)机床运行、新型的抛光工具(如应力抛光盘、磁流变抛光盘)与纳米级超细抛光剂。
  
  数控小工具抛光技术是用计算机数控小工具抛光模(抛光头)对玻璃表面进行抛光,根据所建立的数学模型,通过抛光头在玻璃表面上的运动途径,相对应力与驻留时间来控制抛除量,可以制备大中型非球面光学零件。此种抛光设备由抛光机床、实时干涉测量以及数字控制系统(CNC)组成。Itek公司制造的4m数控小工具抛光机,最大抛光玻璃镜片直径可达4m,抛光效率明显提高,时间只用四周,而传统经典方法达到同样效果需要1年。Parkm-Elmer采用此技术,抛光望远镜镜片,最终面形粗糙度为12nm。
  
  应力抛光盘技术(stressedlappolishing)系米用大尺寸刚性材料作为基盘,在周边可变压力作用下,盘的表面可随时改变所需要的面形。在抛光过程中,安装于应力盘上驱动器根据计算机发出的变形盘相对镜面位置和方向的指令,改变边缘力矩的大小,使应力盘始终与被抛光玻璃的非球面光学表面相匹配。
  
  美国亚利桑那大学Steward天文台大尺寸镜片实验室用应力盘抛光技术加工大尺寸高陡度非球面反射镜,表面粗糙度达到全口径20nm。
  
  浴法抛光(Bowl-FeedPolishing)简称BFP方法[6],也称水中抛光法,玻璃和抛光模同时都浸在抛光液的抛光方法,抛光时产生摩擦热均可扩散到抛光液中,不致使玻璃和抛光工具的温度升高很多,玻璃的热变形和抛光模的塑性流动达到极小,从而可用纯浙青作为抛光模对玻璃进行抛光,使玻璃表面非常光滑。抛光时采用极细的抛光粉和很低的抛光压力,抛光最后阶段还可用稀释的抛光液或清水抛光,均有利于降低表面粗糙度。
  
  以超细氧化铝粉为抛光剂,采用浴法抛光工艺,不同品种玻璃抛光后的粗糙度分别为:火石玻璃(F4)0.76nm,硼桂酸盐玻璃(Duran50)0.16nm,溶融石英玻璃0.34nm。
  
  浮法抛光(floatpolishing)[7][8]指抛光模与被抛光玻璃之间保持有厚度数倍于抛光粉颗粒尺寸的液体层;换言之,玻璃在几微米厚的抛光液薄层上被抛光,抛光模采用硬度比平常用浙青或树脂更高的材料如锡制成,玻璃与抛光模之间相对速度很大,达1.5?2.5m/s;而压力为70?500Pa,较一般抛光盘压力高十几倍;抛光剂用CnOs或MgO。抛光过程中,抛光剂在离心力作用下,在液体膜内沿径向不断碰撞玻璃,以原子或分子级不断抛除玻璃。
  
  Corning公司用浮法抛光对溶融石英玻璃(ULE)和Schott公司的低膨胀微晶玻璃(Zerodur)进行抛光,表面的粗糙度都小于0.2nm。
  
  磁流变抛光(magnetorhelogicalfinishing)[9][w]是利用磁流变抛光液在磁场中的磁流变形成柔性抛光模,对玻璃表面进行抛光。磁流变抛光液为黏塑性介质,当按一定的运动规律,连绵不断切过玻璃表面时,磁流变抛光液中的抛光粉,借助玻璃与磁流体之间的压延与剪切变形力实现对玻璃表面的抛除。
  
  采用磁流变抛光方法在不到2min的抛光时间,就使玻璃表面面形偏差达到m0,粗糙度小于1mm。20世纪末即已制造生产出商用Q22型计算机控制磁流抛光机供应市场。
  
  2.非接触式抛光
  
  非接触式抛光打破了用抛光工具接触玻璃表面抛除的模式,采用了高能量密度束流进行抛光或用等离子体辅助抛光。高能量密度束流指高达108?109W/cm2功率密度的离子束、电子束和激光束,其中已实际应用的为离子束。
  
  离子束抛光是将惰性气体如Ar、Kr、Xe及N原子在真空度为1.33Pa条件下用高频或放电等方法使其成为离子,再用20?25KeV的电压加速,然后撞击到放在真空度为1.33x10_3Pa真空室的玻璃表面,从而使玻璃以原子级被抛除。
  
  离子束抛光是20世纪末光学玻璃制造上的创新,1990年美国EastmanKodak公司即研究了实用化的计算机控制的Kodak2.5m五束数控离子束抛光系统,将直径1.3m熔融石英(ULF)镜面抛光,对直径1.3m花瓣形离轴非球面镜加工精度达到0.01^m。
  
  由于离子束抛光需要专门的离子抛光机,本文作者曾将国内常见的离子注入机进行离子束抛光,采用束流能量25keV,束流强度150^A/cm2,剂量为1x1014ions/cm2和1x1017ions/cm2的N+离子对钠钙玻璃和中铅玻璃进行离子束抛光,抛光前后玻璃表面形貌用MEF3型金相显微镜观察并拍摄照片。
  
  钠钙硅酸盐玻璃用传统机械抛光的表面形貌如图1所示,表面存在形状不规则、间距不一、深浅不同的沟槽,用剂量1x1017ions/cm2的N+离子抛光后的形貌如图2所示,抛光沟槽分布比较均匀,沟槽之间的间距缩短,沟槽深度减小。
  
  中铅晶质玻璃用传统化学抛光后的表面形貌如图3所示,观察到玻璃表面仍有残留氟化物盐类附着物。图4为剂量1x1014ions/cm2的N+离子束抛光后的中铅玻璃表面,残留的氟化物盐类已去除,有表面产生离子束轰击的沟槽,沟槽间距为100?130nm,分布较均匀。当离子束抛光的剂量增加到1x1017ions/cm2时,抛光后的表面如图5所示,沟槽变得很细而密集,间距只有几十纳米,离子束抛光效果较好。中铅玻璃的硬度为4240MPa,而钠钙玻璃硬度为4935MPa,中铅玻璃的硬度较低,故离子束抛光效果尤佳。另一方面钠钙玻璃中碱金属含量比中铅玻璃要高,而碱金属离子容易被溅射,在同一剂量下进行离子束抛光,钠钙玻璃形成的沟槽比中铅玻璃要宽和深。离子束抛光时,入射的离子轰击玻璃表面对玻璃原子进行弹性碰撞,入射离子一部分被派射,另一部分注入到玻璃表面中。玻璃表面原子(离子)受离子轰击后,有一些原子(离子)立即被溅射出来,即首次溅射原子(离子),还有一些原子被注入离子轰击后产生位移,位移的原子(离子)再被溅射出来,成为二次溅射原子(离子)。
  
  由于离子束抛光主要依靠溅射玻璃表面原子(离子)而抛除的,所以会引起玻璃表面成分、结构和折射率的变化,也会有表面残余应力的产生,对折射率变化有严格要求的玻璃材料,要慎用此方法。
  
  电子束抛光是利用高速的电子束经聚集线圈和偏转线圈后进入玻璃表面一定深度,与表面成分中原子核和电子发生相互作用,其能量传递主要通过电子与玻璃表面层成分中原子碰撞,所传递能量以热能的形式传递给表面原子,使玻璃表面温度迅速升高,达到软化点以上熔融温度,由于表面张力作用形成自由表面,达到抛光目的。
  
  电子束抛光的能量非常重要,能量过高,反而使表面形成缺陷。本文作者采用不同能量脉冲电子束对磷硼酸盐玻璃进行试验[15]。电子束能量分别为19.869keV和23.807keV,束流为102?103A/cm2,束流面积750px2,脉冲0.8?2哗,能量密度1?6J/cm2的电子束与玻璃表面相互作用后的表面形貌显微照片如图6和7所示,图6电子束能量为19.869keV,图7电子束能量为23.807keV。用Zygo5022-3D激光表面粗糙度测定仪测出电子束能量19.869keV与玻璃作用后,玻璃表面粗糙度仅为几个纳米,而电子束能量23.807keV与玻璃作用后玻璃表面粗糙度高达200nm,再结合显微照片来对比,充分说明电子束能量密度过大,与玻璃表面作用时,能量沉积太大,玻璃表面加热和冷却过快,导致Griffith裂纹进一步扩展,产生树枝状交叉裂纹,显微硬度也有所下降,显然高能量电子束并不适合玻璃抛光。
  
  激光抛光也是利用高能量密度激光束辐照玻璃,导致玻璃表面瞬时熔融,由于熔融玻璃表面张力作用,使表面光滑平坦。为了防止玻璃表面冷却过快产生永久应力,还需要采用微波加热。激光波长为10.6^m易被玻璃吸收,激光器功率为200W,束斑直径8mm。辅助加热用微波功率2kW,频率2.45GHz。用红外温度计测量玻璃表面和玻璃体内温度。
  
  当玻璃转变温度Tg为455°C,抛光时控制表面温度为700°C,严格控制表面温度和内部温度的相差值,防止产生永久应力。抛光时玻璃样品旋转,激光作x-y方向扫描,并根据红外测量出的表面温度来控制激光的加热。抛光时间很短,从几秒到几十秒,抛光质量很高,可达到光学表面质量。等离子体辅助抛光(?人。均[17]是在等离子体激励下的化学反应而抛除玻璃表面,实质上是一种化学抛光,与传统化学抛光不同的是反应物和生成物均为气体,而且是在射频(rf)激励下生成活性粒子体,此活性粒子体与玻璃表面成分反应,生成易挥发性气体而排出,达到表面抛光的目的。
  
  石英玻璃可用CF4为抛光气体,抛光时与玻璃反应产生SiF4与C02,在真空下进行,不产生机械应力,不会产生亚表面破坏,抛光球面和非球面难易程度相当。Perkin-Elmer公司已用此方法抛光了小0.5——1m非球面光学玻璃镜片,粗糙度小于0.5nm。
  
  3.结论
  
  为了达到超高精密度和极低粗糙度的要求,无论接触式和非接触式抛光均首先建立数学模型,再确定计算工具的路线及驻留方程,由计算机控制的执行元件进行加工,并及时进行表面测量再与预期面形进行比较,然后反馈到计算机,修正抛光路线与驻留方程,通过操作控制带由执行元件进行加工,如此周而复始地循环直到预期的面形精度与粗糙度为止。
  
  除了计算机系统以外,抛光面形的测量非常重要,只有测量精确,才能精密抛光,近年来发展了利用相移技术和外差干涉技术,测量超光滑表面的粗糙度,如美国WYK0公司的T0R0-3D,美国ZYZ0公司的MAXIM_3D和ZYG0-5500。扫描隧道显微镜(STM)和原子力显微镜(AFM)也可用来测量表面粗糙度。
  
  在接触式抛光技术中,磁流变抛光(RMF)特别适合于非球面等复杂面形,抛光时间比较短,可在几分钟内使抛光面形偏差值达到,粗糙度小于1nm,具有广阔的发展前景。
  
  非接触式抛光中,除激光外,离子束、电子束以及等离子辅助抛光,样品均需要放在真空室内,优点是减少了污染,缺点是抛光产品尺寸受到真空室大小的限制。
  
  电子束和激光抛光均系瞬间加热表面抛光,抛光时间仅有几秒到十秒,加热和冷却速度更快,使玻璃表面急热急冷而易开裂,同时也易使表面轻微变形,为防止急热急冷,可采用微波辅助加热等措施,但亚表面层结构变化很难防止,加之设备复杂,影响了推广。
  
  离子束为溅射抛光,表面不会变形和产生严重应力和裂纹,不需要辅助加热,只要控制离子束的能量和剂量,可将离子束对玻璃表面影响降到最低。国外已建造大型离子束抛光机,特别适用于非球面及花瓣形等复杂面形。
  
  离子束抛光和等离子体辅助抛光均为非接触式抛光技术的发展方向。