如何对光学玻璃超精密抛光的研究
光学玻璃以其优异的物理性能被广泛应用于航天、信息、能源、化工、微电子等领域。随着这些领域的不断发展，传统技术已无法满足日新月异的光学元件超光滑表面加工的要求。
为此，需要针对光学玻璃表面的超精密抛光加工展开深入且广泛的研究。在诸多有关超精密抛光加工技术的研究中，光学玻璃材料的抛光去除机理始终是人们的研究重点，也是永霖科技这几年来重金投入研发重点项目之一。
基于磨粒的加工方法由于抛光过程有诸如氧化铈、金刚石、二氧化硅等磨粒的参与，具有较高的加工精度和效率；同时，其加工过程只用到了抛光盘、抛光液、抛光机床等设备，可以很好地兼顾加工精度和加工成本。
超抛加工的基本组件
基本组件：工件、抛光液、磨粒和抛光盘。
工 件
抛技术已被广泛地应用于各类光学玻璃材料的加工。在种类繁多的光学玻璃材料中，熔石英制品以其卓越的材料性能，在光学玻璃制品中占有极其重要的地位，其优异性能具体表现为：在物理性能方面，熔石英耐高温，且具有膨胀系数低、强度高以及耐磨损性能、抗热冲击性能、抗析晶性能好等优点，与其他玻璃制品相比具有明显优势；在化学性能方面，熔石英的稳定性很好，具有较为优异的耐腐蚀性能(常温下，强酸或强碱基本上对其没有侵蚀作用);在光学性能方面，熔石英的透射性十分出众，透射频段横跨紫外、可见和红外三个光区
熔石英在常温下是一种无定形固体，即非晶体，分子结构为短程有序而长程无序。熔石英的分子结构为四面体结构，每个硅原子由4个氧原子包围，4个氧原子分别位于四面体的4个顶点，而硅原子位于四面体的中心，
如图1所示。Si—O键的长度大约为0.161 nm, O—Si—O键角为109.5°。熔石英玻璃并不是完全有序的，因而Si—O—Si键角并不固定，其分布范围为120°～180°,一般认为是144°。熔石英由SiO2四面体结构构成，每个四面体通过4个角的桥氧键与其他四面体连接，形成连续的三维网状结构。
抛光液
抛光液的性能是影响超抛加工成品质量和抛光效率的关键因素之一。抛光液一般包含磨粒、分散剂、pH调节剂、氧化剂等成分，各种添加剂的选择和含量都会对抛光效果产生很大影响，抛光液具有技术含量高、保密性强、不可回收等特点，这使得其成为抛光加工中成本最高的部分。
磨粒是抛光加工中实现材料去除的主要介质，其通过抛光液输送到抛光盘表面后，在压力作用下挤压工件表面，而抛光盘和工件之间相互运动产生的流场又会给磨粒提供切向作用力，对工件表面形成极细微的切削、划擦以及滚压作用，达到材料去除的目的。由此可见，磨粒的形状、硬度、粒径均对抛光过程中材料的机械去除具有重要影响同时，磨粒的化学性质也会直接影响抛光中化学反应的进行。有关磨粒的物理、化学性质对材料去除率的影响将分别在第三节和第四节进行详细阐述。
抛光液一般是由少量磨粒或抛光粉与大量去离子水配制而成的悬浮液。粒径均匀的磨粒往往容易团聚形成大颗粒团聚物，这十分不利于抛光，因此会在抛光液中加入保持磨粒分散稳定性的分散剂。分散剂是一种兼具亲水性与亲油性的界面活性剂，能够均匀分散一些不溶于液体的固体颗粒。对于抛光液而言，分散剂能够减少抛光液中磨粒颗粒的团聚，提高抛光液中磨粒的分散稳定性。
为给抛光过程提供一定的酸碱性环境，确保该过程中的化学反应能顺利、高效地进行，抛光液中经常会加入一些化学试剂用以调节其酸碱度。酸性抛光液中常会加入有机酸，有机酸不仅可以起到防腐作用，还可以增大抛光过程中的去除率，但其腐蚀性大，选择性差，对抛光设备的要求高，常用于铜、钨、钛等金属材料的抛光 [26] 。对于碱性抛光液，一般选用氢氧化钠、氢氧化钾、有机胺等碱性物质来调节其酸碱度；碱性抛光液的腐蚀性低、选择性高，常用于单晶硅及其氧化物等非金属材料的抛光加工。
磨 粒
目前，抛光中常用的磨粒有氧化铁(FeO2)、氧化硅(SiO2)、氧化铝(Al2O3)、氧化铈(CeO2)、纳米金刚石等。其中SiO2、Al2O3、CeO2在超抛中应用得最为广泛，它们的透射电镜图如图2所示 [28] 。
SiO2具有良好的稳定性以及低的黏度和硬度(平均布氏硬度为7),是一种十分常用的抛光液磨粒材料，常用于蓝宝石的超抛加工中。Zhou等采用粒径为10 nm的SiO2磨粒实现了表面粗糙度R a为0.06 nm的光滑表面。尽管使用SiO2作为抛光液磨粒得到了广泛的研究和应用，但SiO2硬度较低的特点限制了其作为磨粒时的抛光效率和应用范围，在实际加工中存在一定的局限性。
Al2O3俗称刚玉，比SiO2的硬度还要高，其莫氏硬度约为8～9,已被广泛应用于蓝宝石、碳化硅等硬质材料的超抛加工中。Al2O3有10余种晶型，常见的为α、β、γ等。一般选用粒径为50～200 nm且分布均匀的α-Al2O3作为抛光磨粒 [30] 。由于Al2O3的两性化学性质，Al2O3抛光液可分为碱性抛光液和酸性抛光液。与碱性抛光液相比，酸性抛光液对设备的腐蚀更为严重，所以碱性抛光液比酸性抛光液应用得更广泛。酸碱度对碱性抛光液的性能起着非常重要的作用，经市场调研，酸碱度为12以上的抛光液可以提高材料的去除率，但过高的碱度同样会对设备造成严重腐蚀。因此，如何制备低碱性Al2O3抛光液已成为一个重要的课题 [28] 。
CeO2作为一种重要的氧化物抛光材料，已被广泛应用于熔石英、微晶玻璃等材料的超抛加工中。CeO2中的铈元素有Ce3+和Ce4+两种价态，而水溶液中的Ce4+极易转化为Ce3+,从而使得实际参与抛光的铈元素以Ce3+为主。因为CeO2的化学活性，玻璃表面与CeO2磨粒接触的位置易被氧化或形成络合物，进而在流场剪切力作用下被去除，这使得CeO2在玻璃材料的抛光中展现出了优异的性能。
抛光盘
抛光盘由抛光垫和抛光盘基体构成，抛光垫直接与工件表面接触，其作用大致可以概括为：
1)给工件提供一个形状准确的平面或球面面形；
2)储存和运输抛光液；
3)排除抛光过程中的产物；
4)维持超精密抛光加工所需的机械和化学环境。
一般来说，理想的抛光垫往往具有复杂的微孔结构，这种结构不仅有利于存储抛光液，还有利于磨粒在微孔内自由滚动。
高质量的抛光表面很少存在磨削痕迹，甚至说这种划痕是需要避免的，因此在光学材料的最终成形时材料的主要去除机理不是颗粒对抛光片表面的机械磨损。抛光垫的制作材料较为多样，最终根据特性，选用聚氨酯抛光皮在此上面进行不断研发测试。
3 材料去除的物理机理
从图中可以看到，利用酸性SiO2浆料对熔石英进行抛光后，在Si—O、Si—OH、Si—O—Si对应区域出现了明显的谱峰。这说明，在利用酸性SiO2浆料进行化学机械抛光期间，浆料中的SiO2磨粒与熔石英基片发生了有效的化学反应，生成了大量含有Si—O、Si—OH、Si—O—Si键的化学产物，说明SiO2浆料和熔石英表面的SiO2分子间形成了丰富的Si—O—Si键。
备注说明： 报告引用《光学玻璃超精密抛光加工中材料去除机理研究综述》
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