（机械制造及其自动化专业论文）分层冰冻固结磨料抛光垫的设计与抛光性能研究.pdf

南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 随着计算机硬盘技术的发展，对硬盘基板的加工提出了更高的要求：不仅需要其具有纳 米级的面型精度和亚纳米级的表面粗糙度的超光滑表面，还要保证无表面及亚表面损伤。微 晶玻璃以其优异的物理化学性能成为下一代硬盘基板的理想材料，但微晶玻璃由于无数微小 晶粒的存在，通常认为很难得到超光滑高质量的表面。本文针对微晶玻璃硬盘基板加工的要 求以及超精密加工中的困难，对“两步法”冰冻固结磨料抛光工艺进行了优化，并提出了分 层冰冻固结磨料抛光的创新工艺，开展了分层冰冻固结磨料抛光垫的设计和抛光效果验证方 面的研究，为冰冻固结磨料抛光工艺的实用化和产业化进行了有益的尝试。主要内容包括： 1 研究了水相体系中微、纳米a - a 1 2 0 3 的分散工艺 主要采用球磨与化学分散剂分散相结合的方法，研究了球磨时间、分散剂种类以及球磨 工艺参数对分散体系中特征参数的影响，探讨了配制稳定的微、纳米a - a 1 2 0 3 抛光液的最佳 工艺条件，为制备抛光性能稳定的抛光液奠定了一定的基础。 2 对单层冰冻固结磨料抛光前处理工艺进行了实验优化 通过实验对冰冻固结磨料抛光垫冻制过程中热阻层厚度进行了优化选取，以保证抛光垫 的使用寿命和均匀的融化速率；对微晶玻璃的冰冻固结磨料抛光的预抛光工艺进行了简化。 3 开展了“两步法”冰冻固结磨料抛光微晶玻璃的工艺研究 精密冰冻固结磨料抛光选用微米级a - a 1 2 0 3 ，超精密抛光选用纳米级s i 0 2 、a - a 1 2 0 3 ，利 用田口方法进行了实验设计，分析了抛光压力、主轴转速、偏心距及抛光时间对微晶玻璃的 表面粗糙度和去除速率的影响，得出了微晶玻璃冰冻固结磨料抛光过程中的最佳工艺参数， 为多层冰冻固结磨料抛光垫的设计提供了实验指导。 4 进行了“分层冰冻固结磨料抛光垫一的设计和抛光性能验证 在两步法冰冻固结磨料抛光微晶玻璃的基础上，从抛光垫的总体设计、抛光工艺设计、 各层厚度设计角度对分层冰冻固结磨料抛光垫进行了设计，并成功制备出两种不同类型的分 层冰冻固结磨料抛光垫。开展了分层冰冻固结磨料抛光垫的抛光性能的实验验证，得到分层 冰冻固结磨料抛光垫可以有效地提高抛光效率，同时两种不同的抛光垫也有着其独特的抛光 特性。 关键词：微晶玻璃，微细颗粒分散，冰冻固结磨料抛光，表面粗糙度，材料去除率，多层冰 冻固结磨料抛光垫 分层冰冻固结磨料抛光垫的设计与抛光性能研究 a b s 7 i i a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rh a r dd i s kt e c h n o l o g y , h i g h e rr e q u i r e m e n t sh a v eb e e np u t f o r w a r df o rs u b s t r a t c sp r o c e s s i n g t h eh d ds u b s t r a t e sn o to n l yn e e dt oh a v os u p e rs m o o t hs u r f a c e w i t hn a n o m c t e rs u l - f a c a p r e c i s i o na n ds u b - n a n o m c t c rs u l f a c l 。r o u g h n e s s ，b u ta l s oh a v en o $ u l f a a n ds u b s u r f a c ed a m a g e t h eg l a s s - e e r m i e sb e c o m e st h ei d e a lm a t e r i a lo fn e x tg e n e r a t i o nh d d s u b s t r a t 髂f o ri t se x c e l l e n tp h y s i c a la n dc h e m i c a lp e r f o r m a n c e a st h ei n n u m e r a b i l i t ym i n u t e c r y s t a le x i s t e n c e ，西嬲s c 职a m i c si su s u a l l ye o m i d e r e dh a r dt oo b t a i ns u p e r s m o o t hs t t r f a e e b a s e d o na b o v eb a c k g r o u n d , 蛆o p t i m i z a t i o nt l a db e e nd o n ef o rt w o - s t e pm e t h o do fi c ef i x e da b r a s i v e p o l i s h i n gp r o c e s s ，a n da ni n n o v a t i v el a y e r e di c ef i x e da b r a s i v ep o l i s h i n gp a dw 雒p r o p o s e di nt h i s p a p e r as e r i a lo fr e s e a r c h e sw c l r cc a r r i e do u to nt h ed e s i g na n dp o l i s h i n gp r o p e r t yv a l i d a t i o nf o r l a y e r e di c ef i x e da b r a s i v ep o l i s h i n gp a d t h ew o r kc a np r o v i d eab e n e f i c i a la t t e m p tf o rt h e p r a c t i c a l i t ya n d i n d u s t r i a l i z a t i o no ft h ei c ef i x e da b r a s i v ep o l i s h i n gp r o c e s s t h em a i nw o r k 雒 f o l l o w s ： 1 d i s p e r s i o nt e e l m o l o g y f o rm i c r o na n dn a n o m e t e r 静a 1 2 0 3i nw a t e rs u s p e n s i o n b a l l - m i n i n ga n dd i s p c r s a n tw 锻c o m b i n e df o rt h ed i s p e r s i o n , a n dt h ei n f l u e n c eo fb a l l - m i l l i n g l i m e ，d i s p c 嫩n tt y p ea n db a l l - m i l l i n gs p 妇o nd i s p e r s i o na n ds t a b i l i t yo fm i c r o na n d n a n o m c t c r a - a 1 2 0 3i nw a t e rs u s p e n s i o nw a sa n a l y z e d t h eo p t i m u mc o n d i t i o n sf o rp r e p a r i n gs t a b i l i t y p o l i s h i n gs o l u t i o nw e 托d i s c u s s e d t h ea b o v ew o r k 啪g i l i d et oo b t a i np o l i s h i n gs o l u t i o nw i t h 1 l i g hp e r f o r m c e 2 o p t i m i z a t i o n0 1 1 1i n e - p o l i s h i n gg l a s s - c e r a m i c sb yi f ap a d t h et l l i e k n e s so ft h e i m a l r e s i s t a n c el a y e rw a so p t i m i z e ds e l e c t e dt h r o g he x p e r i m e n t s ，w h i c he n s u l e st h es o l v i c el i f ea n d u n i f o r l l lm e l t i n gr a t eo ft h ei c ef i x e da b r a s i v op o l i s h i n gp a d a n dt h ep r ei c ef i x e da b r a s i v e p o l i s h i n gp r o c e s so f t h eg l a s s - c 廿- d m i c sw a ss i m p l i 丘e d 3 t e c h n o l o g i cp r o c c s s e $ o ft w o - s t e p si c ef i x e da b r a s i v ep o l i s h i n go fg l a s s - c e r a m i c sw j 3 1 o s t u d i e d m i c r o n 驯u 2 0 jw 丛c h o s e n 鹊t h ea b r a s i v eu s e di np r e c i s i o ni f a 4 2 m p , t h en a n o m c t e r $ i 0 2a n d a 1 2 0 3u s e di ns u p e rp r e c i s i o ni f a - c m p t a g u e h im e t h o dw 豁a p p f i e df o re x p e r i m e n t a l d e s i g n e v e r yp r o c e s s i n gp a l - a m e t c l , s u c h a sp o l i s h i n gp r e s s u r e ，s p i n d l es p d p o l i s h i n g e c c e n t r i c i t ya n dp o l i s h i n gt i m e ，w h i c ha f f e c t e dt h es u r f a c ei r o u g h l i c s sa n d m a t e r i a lr e m o v a lr a t ei n p o l i s h i n gg l a s s - c e r a m i c sw a se x p e r i m e n t a l l yd e s c r i b e di nd e t a i l o p t i m u mp r o c e s s i n gp a r a m c t o r w 笛o b t a i n e d , w h i c hl a yae x p e r i m e n t a lg 岫掂f o rt h ed e s i g no fl a y e r e di c ef i x e da b r a s i v e p o l i s h i n gp a d 4 b a s e do nt h et w o - s t e pi f a - c m p , t h el a y e ri c ef i x e da b r a s i v ep o l i s h i n gp a dw 器d e s i g n e d 南京航空航天大学硕士学位论文 f o r mt h ev i e w so fo v e r a l ld e s i g n , p o l i s h i n gp r o c e s sd e s i g na n dt h et h i c k n e s sd e s i g no fe v e r yl a y e r a n dt w ok i n d so fl a y e r e di c e 缸e da b r a s i v ep o l i s h i n gp a dw e r es u c c e s s f u l l yp r e p a r e d p e r f o r m a n c ev e r i f i c a t i o nt e s to fl a y e r e di c ef i x e da b r a s i v ep o l i s h i n gp a dw a sc a r r i e do u t , w h i c h p r o v e dt h a tl a y e r e di c e 敝e da b r a s i v ep o l i s h i n gp a dc a ni m p r o v ep o l i s h i n ge f f i c i e n c ye f f e c t i v e l y a n de v e r yk i n do f p o l i s h i n gp a dh a si t su n i q u ef e a t u r e k e yw o r d s ：g l a s s - c e r a m i c s ；d i s p e r s i o no ff l u ep a r t i c l e s ；i c ef i x e da b r a s i v ep o l i s h i n g ；s u r f a c e r o u g h n e s s ；m a t e r i a lr e m o v a lr a t e ；l a y e r e di c ef i x e da b r a s i v ep o l i s h i n gp a d 分层冰冻固结磨料抛光垫的设计与抛光性能研究 南京航空航天大学硕士学位论文 图表清单 图1 1 固结磨料抛光垫实物3 图1 2 固结磨料抛光工作原理图。4 图1 3 冰冻固结磨料抛光垫结构5 图1 4 本文总体框架8 图2 1 颗粒离子氛示意图1 1 图2 2 胶粒间相互作用能曲线图。l l 图2 3q m - 3 s p 2 行星球磨机1 4 图2 4 静置2 4 小时抛光液实物图1 5 图2 5 不同表面活性剂在相同含量条件下对微米a , - a 1 2 0 3 悬浮率的比较1 5 图2 6 六偏磷酸钠分子式1 6 图2 7 不容分散剂中球磨时间对纳米a 1 2 0 3 粒径的影响1 7 图2 8 粒径频率累积分布曲线。1 8 图2 9 不同分散剂中球磨时间对微米a , - a 1 2 0 3 分散稳定性的对比1 9 图2 1 0 纳米a - a 1 2 0 3 粉体t e m 照片2 0 图2 1 1 纳米抛光液a , - a 1 2 0 3 静置2 4 1 1 实物图2 0 图2 1 2 球磨工艺单因素影响图。2 l 图2 1 3 最佳球磨工艺下不同分散剂的作用效果。2 2 图3 1 冰冻固结磨料模具2 4 图3 2 冰冻固结磨料抛光垫卸模前和卸盘后的实物图2 5 图3 3 低温超净研抛系统2 6 图3 4 不同热阻层厚度对冰冻固结磨料抛光垫寿命的影响2 7 图3 5 不同热阻层厚度对冰冻固结磨料抛光垫的融化速率的影响2 7 图3 6 冰冻固结磨料抛光微晶玻璃示意图2 8 图3 7 涂蜡粘片工艺2 8 图3 8 微晶玻璃的预抛光工艺2 9 图3 9 不同预抛光方式对表面去除速率的影响3 1 图3 1 0 不同预抛光工艺对微晶玻璃表面形貌的影响( 光学显微镜) 。3 l 图3 1 l 经w 1 4 预抛光微晶玻璃的表面形貌3 2 图3 1 2 抛光参数对去除速率信噪比水平响应的影响( 微米t x - a 1 2 0 3 ) 3 5 图3 1 3 抛光参数对表面粗糙度信噪比水平响应的影响( 微米a , - a 1 2 0 3 ) 3 7 图3 1 4 抛光工艺参数对表面粗糙度信噪比水平响应的影响( 纳米s i 0 2 ) 3 9 图3 1 5 抛光参数对表面粗糙度信噪比水平响应的影响( 纳米a , - a 1 2 0 3 ) 4 2 分层冰冻固结磨料抛光垫的设计与抛光性能研究 图4 1 两步法冰冻固结磨料抛光后得到的微晶玻璃a d e 形貌。4 4 图4 2 多层冰冻固结磨料抛光垫4 5 图4 3 经纳米s i 0 2 抛光后得到的微晶玻璃a d e 形貌 图4 4 四种抛光垫在抛光过程中的融化厚度4 9 图4 5 表面积示意图4 9 图4 6 分层冰冻固结磨料抛光垫实物图。5 l 图4 7l 捧与2 群抛光工艺中不同步骤时间对比5 2 图4 83 撑与错抛光工艺中不同步骤时间对比5 3 图4 9 微米昏a 1 2 0 3 纳米s i 0 2 分层冰冻固结磨料抛光得到的表面形貌5 4 图4 1 0 微米a - a 1 2 0 3 纳米越2 0 3 分层冰冻固结磨料抛光得到的表面形貌5 4 表1 1 各类硬盘基板材料的性能参数2 表2 1 球磨时间的实验水平安捧1 4 表2 2 球磨工艺参数及对应水平 表2 3 球磨工艺参数的表头设计2 0 表2 4 正交实验安排以及实验结果2 l 表3 1 热阻层厚度影响实验安排2 6 表3 2 预抛光方式工艺比较2 9 表3 3 单层微米a - a 1 2 0 3 冰冻固结磨料抛光工艺参数及对应水平3 3 表3 4 微晶玻璃材料去除率数据及信噪比( 微米a - a 1 2 0 3 ) 。3 3 表3 5 抛光工艺参数对微晶玻璃去除速率的方差分析( 微米a - a 1 2 0 3 ) 3 5 表3 6 微晶玻璃表面粗糙度数据及信噪比( 微米a - a 1 2 0 3 ) 表3 7 抛光工艺参数对微晶玻璃表面粗糙度的方差分析( 微米a - a 1 2 0 3 ) 3 7 表3 8 纳米冰冻固结磨料抛光工艺参数及对应水平。3 8 表3 9 微晶玻璃表面粗糙度及信噪比( 纳米s i o d 3 9 表3 1 0 抛光工艺参数对微晶玻璃表面粗糙度的方差分析( 纳米s i 0 2 ) 4 0 表3 1 1 微晶玻璃表面粗糙度及信噪比( 纳米a - a 1 2 0 3 ) 。4 l 表3 1 2 抛光工艺参数对微晶玻璃表面粗糙度的方差分析( 纳米a - a 1 2 0 d 4 2 表4 1 冰冻固结磨料两步法抛光工艺每道工序所需时间表。4 5 表4 2 不同分层冰冻固结磨料抛光微晶玻璃工艺参数表4 8 表4 3 两种分层冰冻固结磨料抛光层厚度( 换算为抛光液体积) 表5 0 表4 4 分层冰冻固结磨料抛光垫抛光性能验证实验组别5 0 表4 5 微米a - a 1 2 0 3 与纳米s i c ) 2 两步法与分层冰冻固结磨料抛光效果比较5 1 表4 6 微米a - a 1 2 0 3 与纳米a - a 1 2 0 3 两步法与分层冰冻固结磨料抛光效果比较。5 2 南京航空航天大学硕士学位论文 三维轮廓形貌仪 十六烷基氯化铵 抛光工件尺寸 颗粒累积l o 时粒径 颗粒累积5 0 时粒径 颗粒累积9 0 时粒径 颗粒的平均粒径 异丙醇胺 双电层排斥理论 偏心距 微晶玻璃初始高度 冰冻固结磨料抛光 分散后微细颗粒理想质量 理想状态r e a l 2 0 3 质量 理想状态分散剂的质量 材料去除速率 注释表 抛光前微晶玻璃的质量 抛光后微晶玻璃的质量 油酸 三维表面粗糙度 轮廓高度均方根值 抛光垫表面积 六偏磷酸钠 信噪比 扫描电子显微镜 抛光时间 胶粒间总位能 位垒 分散后抛光液上层悬浊液体积 范德华引力势能 斥力势能 悬浮率 蛳 驰 姒 h | 耋 s 暑； 考i 删 。 u v k 可 笙； 仪 m 帅 吖 姒 瞰 b k b 腿 笔| 一 d 啪 脚 姗 晰 一 一 e h 眦 嗨 一 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 硬盘是计算机不可替代的外存储器，是计算机技术革命的关键技术之一，广泛应用于笔 记本式计算机、台式机和移动存储等数字存储设备。同时，数字存储的需求也逐年迅猛增长， 存储行业的增长率一直保持在2 0 以上，预计到2 0 1 3 年，中国存储市场规模将达到3 0 0 4 亿元。计算机硬盘向大容量、高转速、小体积、高强度、高可靠性的方向发展【1 埘。这些特 点中尤其以硬盘容量为关键因素，大多数硬盘就是因为其容量不够而不足以满足日益增长的 数据存储需求，从而被淘汰。因此，提高硬盘的容量是硬盘技术发展的首要因素【3 】。 硬盘的关键部件为盘片和磁头，数据的存取主要是靠这两个部件间的读写来完成的。而 提高硬盘的容量通常通过增加盘片数量或采用硬盘阵列的方式，显然这与计算机小型化的趋 势相左。因此解决两者之间矛盾的最好方法是提高盘片的存储密度。提高盘片的存储密度可 以通过降低磁头飞行高度、增加磁道密度等方式来实现。而降低磁盘飞行高度的办法是必须 使基板材料具有非常光滑平整的表面【4 】。近年来市场销售的高档小型计算机系统接口( s m a l l c o m p u t e rs y s t e mi n t e r f a c e ，简称s c s i ) 硬盘的单碟容量已经超过6 0g ，磁盘转速已达1 2 0 0 0 转分，同时还具有低噪声等特点，并且有进一步提高的趋势。转速的提高进一步要求磁盘 基板具有更高的强度、更光滑的表面与良好的物化性能和膨胀系数等【5 】。目前，制造硬盘基 板的材料主要有铝镁合金、玻璃与微晶玻璃【q 。 铝镁合金是目前市场上大多数硬盘所采用的基板材料。铝镁合金的力学性能不足以抵抗 磁头高转速的力学冲击，通常在铝镁合金基板表面沉积一薄层n i p ，使其表面硬度提高【。7 1 。 因为n i p 镀层的存在，从而导致了一系列问题。首先，n i p 镀层和铝镁合金基板的热膨胀系 数不同，在加工处理过程中容易使盘片出现扭曲；其次，n i p 镀层在高于2 5 0 时发生非晶 相到晶相的转变，从而容易造成材料结构损坏；最后，n i p 镀层的球团状特性使盘片表面不 均匀，较难获得光滑、平整的磁性层，从而无法降低磁头飞行高度，也就无法获得更高的盘 片存储密度。与铝镁合金基板相比，玻璃有刚性好、表面均匀性好、容易得到光滑平整的磁 性层表面等优点，从而易于提高盘片的存储密度，但是玻璃作为脆性材料，在高速旋转过程 中容易造成开裂。近年来，国外学者研究了通过离子交换技术，使玻璃表面形成一个压应力 层，从而解决了玻璃容易开裂的问题。但是，玻璃经过化学增强后，也产生了一些新的问题 8 , 9 1 。 微晶玻璃是将特定组成的基础玻璃，在加热过程中通过控制晶化而制的一类含有大量微 晶相及玻璃相的多晶固体材料【1 0 1 。微晶玻璃在密度、热容等很多性质上都与n i p a i 相似， 同时，同铝镁合金基板相比，微晶玻璃有以下优势弘1 3 】： ( 1 ) 因为微晶玻璃具有高均匀的显微结构，抛光时无塑性形变，可以得到高质量的表面， l 分层冰冻固结磨料抛光垫的设计与抛光性能研究 这就保证磁头飞行高度 2 0n m ，甚至做的更小，从而提高信息存储量； ( 2 ) 微晶玻璃硬度足以承受驱动器运行时磁头的冲击，故不需要n i p 镀层，也就没有因 n i p 镀层引发的一系列问题； ( 3 ) 微晶玻璃的刚度比铝好，并且具有非延性，因此能够使用在更高速度下，且可以预 测盘片由于夹紧而造成的形变。 表1 1 ( 1 4 j 列出了各类硬盘基板材料的性能参数。由表中可以看出微晶玻璃基板具有良好 的力学性能，通过上述三种基板材料的分析，微晶玻璃是未来硬盘基板材料的发展方向。 表1 1 各类硬盘基板材料的性能参数 随着计算机硬盘技术的发展，对硬盘基板材料的表面粗糙度、表面面形都提出了更高的 要求【1 5 】，如：表面粗糙度 o a d 刀队。 柏 3 5 3 0 永2 5 斟z o 处，。 哟 ! 0 5 o c t a c 分散剂种类 图2 5 不同表面活性剂在相同含量条件下对微米o n l 2 0 3 悬浮率的比较 s i - i p 是一种无机电解质类分散剂。$ 1 - i p 在水中并不是以普通的偏磷酸根存在于水中， 而是以玻璃态长链状聚合物形式存在，其分子式如图2 6 所示f 7 7 】。a 1 2 0 3 在水中电离成a 1 3 + 离子，借助六偏磷酸根的氧提供的孤对电子形成较为稳定的亲水络合物。因此，六偏磷酸钠 在微米a - a 1 2 0 3 颗粒表面发生吸附，从而使微米a - a 1 2 0 3 颗粒表面电位发生变化，增大了颗 粒表面的静电排斥作用，因此能够提高微米o ，a 1 2 0 ，悬浊液的稳定性。 1 5 分层冰冻固结磨料抛光垫的设计与抛光性能研究 ooo 0l |i i n a 。o p o p o p on a o 。 o 。 o 。 n 茁n 茁n i 图2 6 六偏磷酸钠分子式 o a 和c t a c 均为离子型表面活性剂，但是其起作用的基团不同。o a 作为表面活性剂 主要起作用的是分子中的烯型双键，烯型双键会引起空间结构的弯曲，具有很强的空间位阻 作用；同时o a 中的极性基团带负电，可以有效地增加a - a 1 2 0 3 的表面电荷，增加静电斥力。 c t a c 为阳离子型表面活性剂，其分子结构为c h 3 c h 2 】1 5 - n ( c h 3 ) 3 c i 。它的长碳氢链结构对 微米a - a 1 2 0 3 进行吸附，改变了微米a a 1 2 0 3 颗粒表面电荷的分布，从而可以增加微米a - a 1 2 0 3 分散的稳定性。 d i p a 不带电荷，为非离子型表面活性剂。因为d i p a 包含的极性基团不带电，其对微 米m a l 2 0 3 颗粒表面的z e t a 电位影响不大【7 8 1 。d i p a 分子结构具有立体构型，其容易吸附在 微米a - a 1 2 0 3 颗粒表面，根据空间位阻理论，容易形成位阻层，阻碍微米a - a 1 2 0 3 颗粒之间 的碰撞与团聚。 综上所述，不同分散剂的分散效果不同，这主要是因为分散剂的促进分散稳定性的机理、 分子结构、性能等不同。对于微米级别的a - a 1 2 0 3 来说，所采用的d i p a 稳定性最差，这可 能的原因是对于d i p a ，所产生的空间位阻层较薄，不足以承受微米级别颗粒的重力以及范 德华力的影响，从而造成其分散性能的下降；能够改变微细颗粒表面电荷分布的分散剂，均 得到了较好的分散效果。 2 3 2 2 不同分散剂中球磨时间对微米a - a 1 2 0 3 粒径的影响 微细颗粒在空气中会形成一层钝化膜，以至于在去离子水中无法与分散剂充分发生作 用，另外，微细颗粒在去离子水中也会软团聚形成聚团。球磨过程中由于磨球的作用，首先 发生微细颗粒解开软团聚，然后微细颗粒表面钝化膜被去除，分散剂将充分发挥作用，最后 随着球磨时间的延长，磨球的不断碰撞会导致微细颗粒的破碎。因此，这个球磨过程是一个 多种作用形式共同发生的一个复杂过程。 微细颗粒的粒径特征值包括d 1 0 、d 5 0 、d 9 0 ，其意义分别为颗粒累积1 0 、5 0 以及 9 0 时的粒径。图2 7 所示为四种分散剂中不同球磨时间对微米m a l 2 0 3 粒径特征值的影 响。对于四种分散剂，微米颗粒粒径都在2 0 m i n 左右存在一个显著的拐点。该拐点处微米 a - a 1 2 0 3 的粒径最小。我们认为，微米c l p - a 1 2 0 3 在此时间完全打开软团聚，且由于钝化膜的存 在，与分散剂未能充分作用，因此此时颗粒粒径最小。同时，可以看出，球磨2 0 m i n 左右， 不同分散剂中微米a - a 1 2 0 3 的d 1 0 ，d 5 0 ，d 9 0 的值各不相同，其原因在上文中已有论述。 在6 0 r a i n 球磨时间时，微米a - a 1 2 0 3 的粒径特征值均较大，其原因是磨球的充分作用已经使 微细颗粒的钝化膜大量去除，由于活性表面的存在，造成强烈的团聚效应，因此，此处显示 1 6 南京航空航天大学硕士学位论文 了较大的粒径特征值，同时由于分散剂的作用，导致了微米颗粒团聚到一定程度就停止了絮 凝。下文中有相应的现象可以证明。 之 慰 曩 疆 篁 蓐 * 舞 3 o 一2 玉 爨z 。 疆 嚣侣 * 泰1 , 0 帖 o加1 0 001 球磨时间- , i n 球磨时间- , i n ( a ) s h p( b ) o a o801 0 001 0 0 球磨时间, = i n 球磨时间- , i n ( c ) c t a c( d ) d i p a 图2 7 不同分散剂中球磨时间对纳米o r - a 1 2 0 3 粒径的影响 因为s h p 所呈现的粒径影响曲线最有代表性，所以选取s h p 作为研究对象。加入s h p 作为活性剂的微米a - a 1 2 0 3 抛光液未经球磨时、球磨2 0r a i n ( 粒径最小) 、球磨6 0m i n ( 粒径 最大) 与球磨1 0 0r a i n ( 球磨时间最长) 的粒径频率累积分布曲线，如图2 8 所示。 同原始未球磨的粒径频率累积分布曲线进行比较：在粒径较小的情况下，即在球磨2 0 r a i n ，微米a - a 1 2 0 3 累积分布曲线往左偏移，从侧面说明粒径变小，对于频率分布曲线的峰 值更为陡直，说明小颗粒的含量增加，该现象符合上述软团聚打开的观点；在粒径较大的情 况下，微米a - a 1 2 0 3 累积分布曲线略为往右偏移，并且频率分布曲线变得平坦这主要是因为 分散剂的作用，虽然发生了团聚，但是由于分散剂的作用，颗粒团聚到一定程度就停止，因 而曲线也变得更为平坦，微米o t - a 1 2 0 3 粒径分布交得均匀。 1 7 ： 珏 拍 俘 ” 曼阻霹船薯1毒*器 珏 ” 侣 ” 詈瞄键路基)毒*器 分层冰冻固结磨料抛光垫的设计与抛光性能研究 - 氍 024e1 0024 o 杖径嵋粒径叫 ( a ) 粒径频率分布曲线( b ) 粒径累积分布曲线 图2 8 粒径频率累积分布曲线 2 3 2 3 不同分散剂中球磨时间对微米舢2 0 3 抛光液分散稳定性的影响 图2 9 所示为不同球磨时间下，采用4 种分散剂时微米姒1 2 0 3 颗粒在去离子水中分散 稳定性的对比。由图2 9 可知，低于4 0 n ：l i i l 的球磨时间对分散稳定性的影响是不利的，这与 粒径测试的结果相反。这其中的原因是虽然磨球作用打开了微米越2 0 3 颗粒之间的软团聚 而减小了粒径，但是，由于磨球的作用，去除了微细颗粒表面的钝化膜，露出了活性表面， 其活性变大，虽然有分散剂进行作用，仍容易发生二次团聚而造成沉降。 球磨除对微细颗粒有作用外，对分散剂也有相应的作用，因此，形成的沉降曲线各不相 同。磨球的碰撞过程中，会造成位阻层的破坏。因此，空间位阻机制的表面活性剂，会造成 稳定性的破坏，如d i p a 球磨7 0 m i i l 时悬浮率的最低点现象以及o a 球磨6 0 m m 后的悬浮率 的起伏现象。对于s i t p ，为玻璃态聚合物，所形成的吸附膜受球磨的影响较小，因此，当 活性表面打开充分之后，由于s h p 的吸附而延缓了沉降，并且有静电稳定的作用，所以当 球磨6 0 m i n 后悬浮率达到最高点后就变化不大了。而c r a c 为阳离子型表面活性剂，它的 主要分散稳定机理也是静电稳定，受到机械球磨作用影响小，一旦分散剂完全作用后，其球 磨时间对悬浮率的影响也不大。 1 8 4 2 o 2 o 曩爵爨 南京航空航天大学硕士学位论文 柏 3 8 笛 m 豫 2 8 冰2 4 斟嚣 鲢1 8 哟嚣 1 0 0 4 2 0 1 03 0柏5 0 1 1 0 1 0 01 t 0 球磨时间m i n 图2 9 不同分散剂中球磨时间对微米姒1 2 0 ，分散稳定性的对比 通过悬浮率的研究发现，对于采用s i - i p 分散的微米刚u 2 0 3 ，球磨时间低于4 0r a i n 的 球磨并不对微米o t - a 1 2 0 3 的分散行为起优化作用，但是球磨6 0r a i n 后，可以得到分散良好的 微米o t - a 1 2 0 3 抛光液，静置2 4h 后，其悬浮率达3 8 7 0 。因此对于微米级a - a 1 2 0 3 分散行 为的优化条件是：球磨6 0r a i n ，采用l 质量分数s i - i p 作为分散剂，p h 值调至1 0 5 。 2 4 球磨工艺对纳米c g - a 1 2 0 3 分散性的影响 2 4 1 实验准备 2 4 1 1 实验材料及设备 实验材料：南京某纳米材料有限公司提供的纳米o t - a 1 2 0 3 ，平均粒径盘o 姗。图2 1 0 所示为其t e m 图。可以看出该纳米粉体形状为球形或类球形，分布较为均匀。表面活性剂 采用s h p 、o a 、c t a c 以及d i p a ，均为市售，分析纯。 实验仪器：q m 3 s p 2 行星球磨机，含直径为垂6r a i n 的舢2 0 3 磨球；b s 2 2 4 s 型电子天 平，d g - g 9 0 2 3 a d 型电热恒温鼓风干燥箱。 2 4 1 2 实验方法 由上文所述，球磨在初始球磨阶段对微米驯u 2 0 3 的分散稳定性是不利的，但是，对于 纳米a - a 1 2 0 3 来说，由于其比表面积的急剧增大，会产生一些与微米o t - a 1 2 0 s 分散完全不同 的性质，比如：纳米o r - a 1 2 0 3 由于其表面能更大，在去离子水中，往往处于不稳定状态，比 微米级颗粒更容易沉降等。对球磨纳米a - a 1 2 0 3 进行初步研究，沉降2 4h 后实物图如图2 1 1 所示。可以明显地看到，沉降2 4h 后，未经球磨的纳米o r - a 1 2 0 3 基本已经全部沉降，而经过 1 0m i l l 的球磨后，虽然沉降仍较严重，但是并未完全沉降。因此对球磨工艺参数进行优化选 取是十分必要的。 1 9 分层冰冻固结磨料抛光垫的设计与抛光性能研究 未球磨 1 0 m i r l 图2 1 0 纳米w a l 2 0 3 粉体t e m 照片图2 1 l 纳米抛光液o f - a 2 0 3 静置2 4 h 实物图 影响球磨悬浮率的因素主要有：球料比、行星球磨机转速以及球磨时间。而正交实验是 安排多因素及水平实验的科学有效的方法，可以有效地减少实验次数，同时有效地提高产品 质量。本组实验选取的影响因素为：球磨时间、球料比以及球磨机转速。各因素水平如表 2 2 所示。 表2 2 球磨工艺参数及对应水平 由于存在三个因素，三个水平，因此可以选用l 9 ( 3 4 ) i t _ 交表安排实验，将a ，b ，c 分 别安排在l 9 ( 3 4 ) 的第l ，2 ，3 列，最后二翔留空。正交实验以抛光液悬浮体系中纳米a 1 2 0 3 悬浮率作为评价指标。表2 3 所示为球磨工艺参数的表头设计。实验安排以及实验结果见表 2 4 。 表2 3 球磨工艺参数的表头设计 南京航空航天大学硕士学位论文 2 4 2 结果分析与讨论 由表2 4 的极差分析可以得到，球磨工艺参数对纳米a - a 1 2 0 3 悬浮液分散稳定性的影响 主次为c a b ，即影响因素最大的是球磨机转速，其次为球磨时间，影响最小的是球料比。 从极差分析来看，最优条件为是c 3 a 3 b l 。因此，可以得到优化的球磨分散工艺参数为：球 磨时间3h 、球料比5 ：l 、球磨机转速5 0 0r r a i n 。1 。对各单因素的不同水平做趋势图，如 图2 1 2 所示。 冰 诗 蹬 哟 l 此 3b l眩略c l盘 单因素的三个水平 a ：球磨时间b ：球料比c ：球磨机转速 图2 1 2 球磨工艺单因素影响图 由图可知，球磨时间的延长对纳米a - a l ：0 3 的分散是有益的。球磨可以促进分散主要是 由于磨球的冲击和碰撞所造成的破碎力，使得纳米团聚体打开。因此，随着时间的延长，纳 2 l 分层冰冻固结磨料抛光垫的设计与抛光性能研究 米a - a 1 2 0 3 团聚体受到磨球的冲击和碰撞的机率将变大，从而可以促进分散。有相关研究表 明嗍，球磨初始阶段对颗粒分散稳定性的影响最显著，但若球磨时间过长甚至会改变颗粒 性质。并且，本分散实验是为抛光液的制备为基础的，如果采用较长的球磨时间，则会造成 冰盘的制备效率过低。基于以上原因并考虑到球磨时间对纳米驯u 2 0 3 悬浮液分散稳定性的 主次关系，对其球磨时间进行修正选取，选取1 h 为宜。 由极差分析可知，球料比对纳米a - a 1 2 0 3 分散性的影响较小。趋势曲线呈现“凹”线型， 即球料比较小和较大都能获得较为良好的分散稳定性。当球料比较小时，磨球分布松散，磨 球的运动空间大，造成磨球之间的碰撞力较大；而球料比较大时，虽然磨球运动空间较小， 但是，磨球之间相互碰撞的机率变大，因此同样能较好地打开纳米a - a 1 2 0 3 团聚体。 球磨机的转速对纳米舢2 0 3 分散稳定性的影响最大。球磨机的转速大小意味着磨球的 能量高低，磨球的能量越高，磨球碰撞造成的破碎力也就越大，纳米o i a l 2 0 3 颗粒的粒径也 就越小。从图中可以看出，球磨机转速越高，分散效果越好。 综上所述，适宜于冰冻固结磨料抛光液配置的球磨工艺参数为：球磨lh 、球料比5 ：l 、 球磨机转速5 0 0r r a i n 1 。 由悬浮率的数据来看，单一的球磨虽然能改善纳米罅朋：o ，的分散稳定性，但是，其改 善的效果有限。因此，有必要通过化学分散手段强化球磨分散的效果。因此，在最优球磨工 艺的条件下，使用了s h p 、o a 、c t a c 以及d i p a 作为分散剂对纳米a - a 1 2 0 3 进行分散。采 用分散剂质量分数l ，纳米a - a 1 2 0 3 粉体质量分数为5 ，p h 调至1 0 5 ，其实验结果如图 图2 1 3 所示。 冰 褂 齄 哟 o o c 1 t a c 分散剂类别 图2 1 3 最佳球磨工艺下不同分散剂的作用效果 由实验结果可以知道，在最佳球磨工艺下，分散剂的效果是很显著的。特别是s h p ， 在球磨时间l h 、球料比5 ：1 以及球磨机转速5 0 0f 恤甜1 的条件下，放置2 4 h 后，纳米a - a 1 2 0 3 抛光液的悬浮率仍然达到了4 4 1 3 。同时，对于球磨相同时间的条件下，纳米a 。a 1 2 0 3 中 分散剂的作用效果的强弱也与微米级不同，强弱顺序为：s h p o a 、抛c d 玎) a 。研究认为： 微米a - a 1 2 0 ，由于颗粒粒径较大，所以球磨所起的效果有限：而纳米粉体比表面积极大，团 南京航空航天大学硕士学位论文 聚趋势比微米a - a l ：0 ，大得多，在去离子水中基本不可能以原生粒子形式存在，而是以团聚 形式存在，且结构更为疏松，所以球磨的过程中打开团聚体后，分散剂的作用更为明显。因 此表现为纳米a - a 1 2 0 3 要强于微米砧2 0 3 的分散效果。此外，可以看到，d i p a 对纳米o t - a 1 2 0 3 的分散稳定性的促进效果基本得不到体现，仅有2 4 7 。基本与