冰洲石晶体加工技术的新发展论文.pdf

倦 ， 体 、 二 学材料 催 工 _ 0 1 孔 o ic t e c h q u 。 ， 。 。 s 0 u 冰 洲石 晶体加工技术 的新发展 夏伟胡华南 ( 广州华 南理 工大学5 1 0 6 4 1 ) 摘 要 球 洲石是 一种 昂贵 的光 学晶体 材料 ， 由于其完 善 的解理性 和 脆性 而难 于加 工 。依靠 传统 的纯 机械加 工方 法常 常导 致生 产率低 下和 废 品率 增 高。 随着科 学技 术 的进 步 ， 球洲石 晶体 的加工 技术有 了较 大的 发展 。 本 文概述 了国 内外关于 冰洲石 晶体 加工 技术 的现状及 存在 的主要 问题 ， 井着 重介 绍 了近年来 的新发 展 提 出了 当前 急需 解决 的研究课 题 。对深 八开 展这 方面 的研究 及生 产 实践具 有 一定 的指 导作 用。 关键 词 ： 冰洲石晶体加工抛 光 n e w e v e l o p me n t o f p r o c e s s i n g t e c h n i q u e o f i c e l a n d s p a r xi a w e i hu hua nn a“ ( ha h n a n i ns t i t u t e o f te c h n ol o g y ) ab s t r a c t ： i c e l a nd s p a r i s a n d e x p a n s i v e o p t i c a l c r y s t a l a n d 1 i s d i f f i c u l t t o b e p r o c e s s e d b e l u s e o f i t s c o m p l e t e c l e a v a g e a n d b r i t t e n e s s to d e p e n d e n t o n t r a d i t i o a l p u r e me c ha n i c a l p r o c e s s i n g wi l l a l wa y s r e a d t o l o w p r o d u c t i v i t y a n d h i g h r e j e c t r a t e wi t h t h e d e v e l o p me nt o f s c i e n c e a n d t e c h n o l o g y，t h e p r o c e s s i n g t e c h n i q u e o f i c e l a n d s p a r d e v e l o p e d g r e j y the p r e s e n l s i t u a t i o n a n d ma i n p r o b l e ms o r p r o c e s s i n g t e c h n i q u e 8 t h o me a n d a b r o a d i s b r i e fly r e l a t e d a n d d e v e l o p me n t i n r e c e n t y e a r s i s i n t r o d u c e d e mp h a t i c a r l y s o me u r g e n t s u b j c t s f o r t h e t i me b e i ng a r e p u t r o wa r d i t wi l l a c t a s g u i d e f o r t h or on gh s t u dy and pr odu ct i ve pr a c je e i n t hi s t i e l d ke y wo r d s： i c e l a n d s p a r：c r y s t a l p r o c e s s i n g；p o l i s h i n g 一 、引 言 洲石器件 已经成为国际国内所 关注的课题 。 随着科 学技术 的迅速 发展， 晶体材料 的使 用愈加广泛和重要。对晶体材料的性能要求也 愈来愈高 。因而， 晶体材料 的开发、 加工及应用 普遍受到人们的重视。 冰洲石是一种纯 净透 明的天然碳酸钙负单 轴晶体 ， 属六角晶系 ， 具有晶体的基本特性 冰 洲石 的一个显著特性就是它具有 良好的双折 射 性 ， 属 完善解理性 质 ； 其溶解度小 ， 故属 非潮解 性 ； 由于其各向异性 ， 沿不同方向的热膨 胀系数 不同； 另外 ， 冰洲石 的脆性较大 冰洲石 是一种 昂贵 的光 学晶 体材料 ， 主要 用于制作偏振棱镜及干涉偏 振滞后片 另外 ， 冰 洲石还用于制造大 炮射 程仪 、 测距仪 、 天文仪器 及大屏幕显示器等 。 也 由于冰洲石 的特殊性质 ， 其 加工困难 。在 以传 统工艺 切割、 研磨 和抛光 时 ， 振 动、 低 温 或温 度骤 变都 能 引起 冰 洲石 开 裂 、 掉棱 或解理剥 落 同时 冰洲 石质软 使 获得 高质量的加 工表 面更加困难 。冰洲石不 易得到 而且贵重 ， 如何经济 、 高教地加 工出高质量的冰 国家 自然科学 基金 资助 项 目 本文 旨在对 目前 国内外 冰洲石加 工技术新 发展做一概述 并提出当前急需 解决 的课题 。 二、 加工技术现状及存在 的问题 晶体加工是 一项 专 门的技术 也 尚属一 门 较年轻的技术 但 在国外 晶体加工的地位和作 用很 受重视 ， 尤其是 一些 技术 先进国家对 晶体 加 工工艺 的研 究 已有很 大 的投人 。原苏联 、 英 国、 美国、 日本等 国都取得 了较大进 展一 然 而加工 技术是严格保密的 。 在国 内， 五 十年代只 有几个单位 如长春光机所、 上海光学仪器厂等 进 行过水 晶、 冰洲石 、 云母等晶 体加 工 ， 并且数 量很少 。晶体加工主要是 在六 十年代后 发展起 来 的。六十年代后 ， 激光技术的发展 ， 推 动 了晶 体加工技术的发展 。长春 光机所加 工出我国第 一 根红宝 石激光晶体 棒 到 目前为止 加工晶体 的品种和数 量都有大 幅度增 长， 但 与浩如烟海 的晶体品种相 比仍然是非常有限 的 不同晶体 性能差异 又大 ， 故对某 些性能奇特 的晶体零 件 的加工还没有 效地得 以解决 。因此 ， 可 说 ， 我 期 第 年 蛎 术 技 学 兆 c 维普资讯 国的晶体加工基 本上还处 于探索阶段 _ 就 冰 洲石 晶体 加工来说 ， 近年来 也受 到人 们较大 重视 我 国电子工业 部 l 1 所 、 曲阜师范大学、 华 中理工大 学、 上 海光机所 等也在进行 冰洲石 加 工技术研究 我们华南理工大学也在较系统地 进行冰洲石加工的机理和工艺研究 。 并且 ， 也已 取得 了较大的进展 1 冰洲石晶体的切割 切 割是晶体成形加工 的前道工序 。切 割时 冰洲石 晶体很易脆 裂 一 切 割质量对 晶体成 品的 质量有 直接的影响， 故也倍受人们重视 。 金 刚石 内外 圆锯 片切 割法 。 此法切割时 ， 必 须解 决两个 问题 是 晶体 的粘 结和 锯切 速度 选 定 。 对于 冰洲石 晶体 ， 使用传统 的热牯结不太适 用 ， 已有人 试用 过 5 0 1胶 ( 5 0 2胶) 与 6 1 3粉调 和而成 的粘结剂 是种室温 固化 冷胶 ， 效果较 为理想 。另外 ， 锯切速度不宜过高 。 劈裂切割法 。 也称解理切割法 ， 它是利用晶 体 的解理特性进行切割的一种特殊方法 。对于 冰洲石而言， 此法主要用于在选矿上 。 此法简单 方便， 但最大缺点是会在刀口处产生局部应力， 另外 ， 若操作不当 ， 有可能引起晶体整体开裂 。 水线切割法 ，只要 用马达驱动 的纤维线 加 温水调磨料就能进 行有效 的切 割。为防止切 割 肘产生 的摩擦 热导 致 晶体开裂 一 线 速度 不要超 过 0 5 m s 。 传 统的超 声切割法 此法可 以提 高贵重晶 体材 料 的利 用率 ， 还 能够 解决晶 体其 他切 割手 段所 无法解决 的一些加工 难题 ， 如 小孔 、 深孔、 异形孔的加工及晶体 棒材 的套料 。在超声工具 上镶上 金刚石微粉就可 以不 用散粒磨料 。因而 更具 有其优越性 。传统超声工具在 加工 中旋 转 工作的超声旋 转钻在 国外 已应用多 年 ， 国 内 目 前也正在进行这项试验研究工作 化学腐蚀切割法 它是利用化学腐蚀剂顺 着一根垂直绷 紧的细金属丝( 负极) 流动而实现 对晶体进行腐蚀切 割 。此 法 由于切割作用力小 特别适用于薄晶体的切割 此外 ， 晶体 的激光切割 、 徽电子束切割在 实 验室 中 已有应用 ， 但设备制 造复 杂、 成 本昂贵 8 因此 仍有必须发展新 方法 ， 用于冰洲石等晶 体 的切割加工。 2 冰洲石的研磨 晶体研磨 料用磨的选择应以研磨效率高而 又不会给 晶体研磨 表面造成太大的机械损伤 为 原则 ， 杂质少 ， 粒度均匀 的金刚砂用于研磨 冰洲 石 ， 表 面均匀细腻 ， 损伤层小 ， 效果很好 。 研 究表 明 ， 晶体表面损 伤层深度 随磨料 硬度增加而加 大 ， 晶体损伤层 深度还 随磨料尺寸加大而增 大 研磨悬浮液和研 磨模 都直 接影 响冰洲石 的 研磨质量 。在研磨液 中加入 电解质或研磨液呈 弱酸性均能 获得 贝壳 状表 面 ， 且 晶体表 面粗糙 度较 小： 。 选择合适材料 的研磨模并适 当开槽 能有 效 地解决冰洲石在加工时易碎裂 、 掉棱、 解理剥落 等问题， 值得强调， 研磨模与悬浮液合理配合使 得冰洲石研磨 表面获 得 高质 量 ( 表 面租糙度指 标 r a 0 2 0 p m， 且表面呈 较理想贝壳状 ) 口 。 另外 ， 由于冰洲石对 温差反应敏感 ， 容易开 裂 ， 因此 ， 宜用温水调 和磨料 ， 金 属磨 模最好 用 适 当方式 加温后使用 。 3 冰 洲石 的抛 光 抛光粉是晶体加工的重要辅料 ， 其粒度、 硬 度 及熔 点是 影响抛光效 果的重要 因素 ， 实践证 明， 抛光粉 的熔点应 比被抛光冰 洲石 晶 体的熔 点高 。研究表 明 _ 【 “ ， 其 主要成份 由红粉或微 金刚石粉 组成 的抛 光粉 ， 用于抛光 冰洲石可获 得很好 的抛光效果 。 值得强调 ， 抛光粉使用前要 进行均匀性处理 ， 尽量使其粒度细而均匀。 抛光 模 的制 作是 抛光 技 术 的 一项 重要 内 容 ， 必须特别重视。 有资料推荐 ， 对于 冰洲石 ， 其 硬度较 低 ， 解 理性 强 ， 抛光模 也可 用 棉花石 蜡 ( 用 油酸 乍抛光介质 ) 或沥 青蜂 蜡盘 ( 用普 通蒸 馏水作抛光介质) 。 这 两种模主要用于保证晶体 的表 面粗糙 度 ， 而光 圈 的修 改稍 为 困难 些 ， 为 此 - 抛光之前应将晶面尽量磨细 ( m7或 ms ) 以 减少抛光 时 间， 当零件精磨 的面形 尚未遭到破 坏时 即把租 糙度抛好 ， 冰洲石 晶体 的光 轴面可 按 照此法抛光 研究表 明， 较 软的抛光模可 以获 得低的抛光表面粗糙度， 但 由于其成形性差 ， 平 维普资讯 面度 差， 使冰洲石表面会 出现光 圈问题 ； 而太 硬 的抛光模 ， 可获得 高平 面度 ， 光圈 问题 好解决 ， 但又 出现表面租糙度 高的问题 。 为此 ， 采用使硬 抛 光模 新 软化 技 术 ， 可 以较 好 地 解 决这 一 矛 盾 【 ，值得强 调， 抛光模 对光 圈修正及抛 光 生产率起 至关重要 的作用 作者等配制 多种抛 光液进行 抛光冰 洲石 晶体表 面试验研究 表明 抛光 液对抛光过程作用 同样很 太 并且 ， 已研制 出一种有效的抛光 液 ( ak 型) 与特殊 的抛光模 ( mx 型) 、 抛光粉 ( f p e型) 配合使用 ， 可抛光 出 表 面租糙 度指 标 ra可稳定在 0 0 1 p - m 以下的 冰洲石表面。并且 ， 表面疵病等级 指标也很好 ， 抛光生产率也提高一 ” 。 另外 ， 冰洲石抛 光加工不 可忽略影 响 因素 有抛光 环境及抛光时间 冰洲石抛光加工 ， 论其 精度 当属 超精 密加 工范畴 ， 故 对温瘦 有着 严格 的要求 抛光作用及环境温度所 引起 的试件温 度 均极大影 响光表面精度 ： 作者研究还表明 一 在 抛 光冰洲石表 面时 ， 有一个抛 光的最佳时 间存 在 然而 ， 经过抛光加 工获 得低 粗糙度 表面仍 是 当前冰洲石加工 的主要难点 也是 消耗工时 最多的一道工 序。致力于表面粗糙 瘦问题 的解 决成为晶体加工 的主攻 方 向， 这是毫无疑问的 冰 f f f 石 晶体抛光 是一个复 杂 的工艺过 程 有许多影 响因素 现 在还不 完全为人们所认 识 所掌握 。近年来人 们也 一直进行加工技术的探 索 并 提 出一些 新工 艺 ， 以 降低抛 光 表 面粗 糙 瘦： 这些新技术主要可归结 为以下几个方面 ： 第 一 、连续抛光技术。第二 采用表面软化的硬 胶 盘抛 光技 术 第三 ， 采用 b f p( b o wl f e e d p o 卜 i s h i n g) 抛 光技术 即把抛光盘 浸在盛 有水和抛 光液 的塑料容器 中进行抛 光：此技 术完成抛光 所需 的时 间较长 目前只能在实验室中应用 第 四、 离子抛光技术 。 此 技术是 利用高 能离子束将 晶体加工 表面的原子 一层 一层剿 除 它不 会对 晶体加工表面产生任何 机械损 绕 然而其技 术 复杂 ， 设 备昂贵 ；第五 ， 化学抛光技术。它是利 用化学 商蚀液对 晶体表面 的霭浊 作用 实现 对 表 面进 行 加 工 一 般 说 来 比学 孢 光 只能得 到 无 损 伤层的光学 表面 ， 化 学抛光 固有缺 陷即晶体 的腐蚀过程带 有选择性 难 以得到 良好 的面形 精度。第六 、 化学机械抛光技术 这是化学腐蚀 抛光和 机械磨 削抛光 的结合 ， 是 在抛光盘上滴 上 预先精 确配 制 的化学 腐蚀 液 对 晶体进 行抛 光 据报道 ， 有人对 i n s b晶片进行化学机械抛 光 ， 效 果尚好 。第七 、 振动抛光 技术 。振动抛光 综合 了化学 抛光 和机械抛光 的优点 ， 又 比离子 抛光容易实现， 抛光时 ， 使用纤维织物抛光盘以 及特殊的抛光 粉 ， 使用的抛光液 呈悬 浮态 。 振 动 抛光周期较 长 ， 但 抛光后 的晶体零件不 会产 生 任何 机械损伤 ， 这 是此 法的最可 贵之处 然而 ， 国内 目前还没有开展振动抛光 技术研究工作 。 无论如何 ， 至 目前 为止 ， 冰洲石加工技术 已 取得 了较 太进展。国外 已抛光 出 rz 0 0 2 5 ,u m 的冰洲石表 面 ，我们 也研究 出一整套冰洲石研 磨 、 抛光 工艺 ， 这些 技术 均可 以应 用于 实 际 生产 三、 关于冰洲石晶体加工理论研究 要 高教 地加 工 出高 质 量 的冰洲 石 晶体 零 件 解决 问题的根本方法应 该是 首先研究其加 工机理。 为此 ， 已用不 少学者进行过这方面的实 验及研 究工作 。 1 承洲石印压实验及切削实验研 究- s i - ! 作 者等 利用显微摄像技 术 ， 采 用对称 与单 料 楔形压 头对解理 样本解理 面的印压表 明， 在 被 观察面上 总 出现 两个 区域 ： 平行 于 晶体解理 面的裂纹 区， 和朝 向晶体钝顶 角方 向的近似三 角形 的破坏 区 ， 并 且破坏 区对 应于垂直于 光轴 层状 方向 ， 这 一结 论对 冰洲石加工 有着重大 的 意义 ： 对冰洲石进行直角 自由切 削实验表 明， 对 加工过程及表面质量影 响最太的是冰洲石本身 的结构 特性 切削方 向与被加工 面方位决定 着 表面租糙 瘦和破坏层深度的太小 切削刀具 几 何参 数和切 削用量也有 一定影响 对冰洲石解 理 面进行正 向和 反向切 削的实验 表明 ， 正 向切 !f lj 时切 屑以整块解理 形式 出现 ， 已加工 表 面纹 理 清晰整齐 ， 表 面损伤层较薄 ： 而反向切 削时破 坏 以小晶 枝破 淬为 主 表匾损 伤较厚 ， 这 一点 与 冰 石 印 压实 验结 果 是 一致 的 ， 自 维普资讯 2 溶 液 对 冰 洲 石 晶体 的溶 解 作 用 机 理 1 1 , 1 2 ： ri c h a r d g 和 ( o r n p t o n等 人 专 门进 行 了 冰洲石单晶体溶解动力学过程以及冰淅石 晶体 表 面形貌对溶解过程影 响的研究 。此研究提 出 了溶 解动力学方程 。研究得 出如下结论 ， 第一 ， 溶液 h+浓度增加 ， 导致 晶体溶解速度加袂 ： 第 二 ， 冰洲石 ( i o o ) 解理 面初 始时 ， 即使在酸 性溶 质 中， 也是相 当不活 性的 ， 溶解过 程 极其缓慢 ， 一 直到 溶解进行 使得表 面较 粗糙 时， 晶体溶 解 才达到一个较快 的稳定 的溶解速度 ： 第三 ， 不 同 制作过 程获得 的晶体表面 ， 其溶 解特性 相差很 大 ， 经抛 光后 的晶体表面 ， 溶解最 为缓慢 ， 表面 也最为 光滑； 晶体 表面愈 粗糙 ， 其溶 解也 愈快 ， 从而溶解浸蚀后的表面也愈粗糙 ， 与( 1 0 0 ) 面呈 不同倾角 的表面溶解特性 也相 异 一般有 此倾 角愈大 ， 溶解速度愈快 ， 所得溶 解浸蚀表 面也愈 粗糙 。 第四， 该文作者 还用所谓“ 麻坑 ” 机理解释 了不 同晶体表面所呈现的溶 解特性 以及冰洲石 微粉 的溶解特 性 ，另外 v m s e r g e e v等人“ 还研究了黄色冰洲石退火 时的颜色变化挣 性。 这些结论 对研究 冰洲石加 工人员 ， 势必有 重大 参考 价值 3 关于抛光机理学说 到 目前为止 ， 对 于晶体 光学表面抛 光机理 ， 还 未形成一个完整统一的理 论 ， 然而 ， 目前主要 存 在以下几种学说 ， 第一 ， 纯机械作用说 。此理 论认为 ， 抛光 和研磨在本质上相 同。第二 一 流变 作用说 ，它认为 ， 在抛光时 ， 由于摩擦热使加 工 表 面产 生塑性变 形和 流动或热软化 以致熔 融 而产生 流动 ， 因此 认 为抛 光过程是 加工表面分 子重新 流动而形成 平整 表面的过程 第 三 一 机 械、 物理 化学说。 此理论认 为抛 光过程是一个 包 含机械 的、 化学的和物理化学作用的综合过程 第四 ， 化学学说 。这一理论认为 ， 抛 光过程主要 是水 、 抛光 剂、 抛 光模和抛光 面之 间的化学作 用 的过程 作者认为 ， 冰洲石晶体表面抛 光机理 ， 应取 决于具体的加工条件。 如抛光运动的速度 抛光 剂、 抛光模 、 抛光 液状 态， 一般来说 冰洲石抛光 1 0 表面应是 机械、 物 理( 包括 流变) 、 化学综合作用 的结果 。然而 ， 这也有待于进一步深入研究 。 四 、 目前急需研究的课题 目前在 冰洲石 晶体 加工过程 中 ， 仍 存在 许 多问题尚未解决 ， 作者认 为 ， 今后的研 究应 重视 下几个方面 ： ( 1 ) 冰洲石的切割及开采过程中 ， 加工效率 较低 冰洲石 容易碎裂 ， 故有必要进 一步研究冰 洲石 切割 、 开采 的新技术 、 新 方法。 ( 2 ) 为能高效高质量加 工冰洲石 ， 需要进一 步研究冰洲石晶体在各种加工条件下的应力状 况 ， 裂纹扩展机制 ， 以指导 冰洲石加工研究及实 践 ( 3 ) 化学抛 光可 以获得无机 械损 伤 的表面 层 ， 而机械抛光方法可以获 得较 为光 洁的表面 。 这两种抛光 方法 的机理有必 要进一步研究 ； 并 以此为理论 依据 ， 研究 化学 机械复合抛光 新技 术 ， 并应用于生产 。 ( 4 ) 冰洲石 晶体 光学零件加卫 ， 当属脆性材 料的超精 密加工 。引进其他材料的超精密加工 技术 对冰洲石进行 超精密 加工 ， 进而采用多 种 加工技术相结合 ， 取长朴短 ， 此乃是冰洲石加工 一 个重 要的技术课题 。 参考文献 1 vo l k o v a a n d n v ro z e n man l s so v i e t j op t t e c h ， vo 43 no 6 i 9 7 6 6 p3 6 6 36 8 2 pa t e n t gb21 g8 3 4 9 a 3 pa r e n t su 1 3 4 81 4 5 a 1 4 pa t e n t- su 2 8 0 7 89 a 5 张心德晶体加工概要晶体加工工艺技术交流会议资 料汇编 集 ， 1 9 8