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鈉鈣硅酸鹽玻璃用傳統機械拋光的表面形貌如圖1所示,表面存在形狀不規則、間距不一、深淺不同的溝槽,用劑量1x1017ions/cm2的N+離子拋光后的形貌如圖2所示,拋光溝槽分布比較均勻,溝槽之間的間距縮短,溝槽高層度減小。
中鉛晶質玻璃用傳統化學拋光后的表面形貌如圖3所示,觀察到玻璃表面仍有殘留氟化物鹽類附著物。圖4為劑量1x1014ions/cm2的N+離子束拋光后的中鉛玻璃表面,殘留的氟化物鹽類已去除,有表面產生離子束轟擊的溝槽,溝槽間距為100〜130nm,分布較均勻。當離子束拋光的劑量增加到1x1017ions/cm2時,拋光后的表面如圖5所示,溝槽變得很細而密集,間距只有幾十納米,離子束拋光效果較好。中鉛玻璃的硬度為4240MPa,而鈉鈣玻璃硬度為4935MPa,中鉛玻璃的硬度較低,故離子束拋光效果尤佳。另一方面鈉鈣玻璃中堿金屬含量比中鉛玻璃要高,而堿金屬離子容易被濺射,在同一劑量下進行離子束拋光,鈉鈣玻璃形成的溝槽比中鉛玻璃要寬和深。離子束拋光時,入射的離子轟擊玻璃表面對玻璃原子進行彈性碰撞,入射離子一部分被派射,另一部分注入到玻璃表面中。玻璃表面原子(離子)受離子轟擊后,有一些原子(離子)立即被濺射出來,即初次濺射原子(離子),還有一些原子被注入離子轟擊后產生位移,位移的原子(離子)再被濺射出來,成為二次濺射原子(離子)。
由于離子束拋光主要依靠濺射玻璃表面原子(離子)而拋除的,所以會引起玻璃表面成分、結構和折射率的變化,也會有表面殘余應力的產生,對折射率變化有嚴格要求的玻璃材料,要慎用此方法。
電子束拋光是利用高速的電子束經聚集線圈和偏轉線圈后進入玻璃表面一定高層度,與表面成分中原子核和電子發生相互作用,其能量傳遞主要通過電子與玻璃表面層成分中原子碰撞,所傳遞能量以熱能的形式傳遞給表面原子,使玻璃表面溫度迅速升高,達到軟化點以上熔融溫度,由于表面張力作用形成自由表面,達到拋光目的。
電子束拋光的能量非常重要,能量過高,反而使表面形成缺點。本文作者采用不同能量脈沖電子束對磷硼酸鹽玻璃進行試驗[15]。電子束能量分別為19.869keV和23.807keV,束流為102〜103A/cm2,束流面積750px2,脈沖0.8〜2嘩,能量密度1〜6J/cm2的電子束與玻璃表面相互作用后的表面形貌顯微照片如圖6和7所示,圖6電子束能量為19.869keV,圖7電子束能量為23.807keV。用Zygo5022-3D激光表面粗糙度測定儀測出電子束能量19.869keV與玻璃作用后,玻璃表面粗糙度僅為幾個納米,而電子束能量23.807keV與玻璃作用后玻璃表面粗糙度高達200nm,再結合顯微照片來對比,充分說明電子束能量密度過大,與玻璃表面作用時,能量沉積太大,玻璃表面加熱和冷卻過快,導致Griffith裂紋進一步擴展,產生樹枝狀交叉裂紋,顯微硬度也有所下降,顯然高能量電子束并不適合玻璃拋光。
激光拋光也是利用高能量密度激光束輻照玻璃,導致玻璃表面瞬時熔融,由于熔融玻璃表面張力作用,使表面光滑平坦。為了防止玻璃表面冷卻過快產生較久應力,還需要采用微波加熱。激光波長為10.6^m易被玻璃吸收,激光器功率為200W,束斑直徑8mm。輔助加熱用微波功率2kW,頻率2.45GHz。用紅外溫度計測量玻璃表面和玻璃體內溫度。
當玻璃轉變溫度Tg為455°C,拋光時控制表面溫度為700°C,嚴格控制表面溫度和內部溫度的相差值,防止產生較久應力。拋光時玻璃樣品旋轉,激光作x-y方向掃描,并根據紅外測量出的表面溫度來控制激光的加熱。拋光時間很短,從幾秒到幾十秒,拋光質量很高,可達到光學表面質量。等離子體輔助拋光(?人。均[17]是在等離子體激勵下的化學反應而拋除玻璃表面,實質上是一種化學拋光,與傳統化學拋光不同的是反應物和生成物均為氣體,而且是在射頻(rf)激勵下生成活性粒子體,此活性粒子體與玻璃表面成分反應,生成易揮發性氣體而排出,達到表面拋光的目的。
石英玻璃可用CF4為拋光氣體,拋光時與玻璃反應產生SiF4與C02,在真空下進行,不產生機械應力,不會產生亞表面破壞,拋光球面和非球面難易程度相當。Perkin-Elmer公司已用此方法拋光了小0.5~1m非球面光學玻璃鏡片,粗糙度小于0.5nm。
3結論
為了達到非常高準確度和較低粗糙度的要求,無論接觸式和非接觸式拋光均首先建立數學模型,再確定計算工具的路線及駐留方程,由計算機控制的執行元件進行加工,并及時進行表面測量再與預期面形進行比較,然后反饋到計算機,修正拋光路線與駐留方程,通過操作控制帶由執行元件進行加工,如此周而復始地循環直到預期的面形精度與粗糙度為止。
除了計算機系統以外,拋光面形的測量非常重要,只有測量準確,才能準確拋光,近年來發展了利用相移技術和外差干涉技術,測量超光滑表面的粗糙度,如美國WYK0公司的T0R0-3D,美國ZYZ0公司的MAXIM_3D和ZYG0-5500。掃描隧道顯微鏡(STM)和原子力顯微鏡(AFM)也可用來測量表面粗糙度。
在接觸式拋光技術中,磁流變拋光(RMF)特別適合于非球面等復雜面形,拋光時間比較短,可在幾分鐘內使拋光面形偏差值達到,粗糙度小于1nm,具有廣闊的發展前景。
非接觸式拋光中,除激光外,離子束、電子束以及等離子輔助拋光,樣品均需要放在真空室內,優點是減少了污染,缺點是拋光產品尺寸受到真空室大小的限制。
電子束和激光拋光均系瞬間加熱表面拋光,拋光時間僅有幾秒到十秒,加熱和冷卻速度更快,使玻璃表面急熱急冷而易開裂,同時也易使表面輕微變形,為防止急熱急冷,可采用微波輔助加熱等措施,但亞表面層結構變化很難防止,加之設備復雜,影響了推廣。
離子束為濺射拋光,表面不會變形和產生嚴重應力和裂紋,不需要輔助加熱,只要控制離子束的能量和劑量,可將離子束對玻璃表面影響降到較低。國外已建造大型離子束拋光機,特別適用于非球面及花瓣形等復雜面形。
離子束拋光和等離子體輔助拋光均為非接觸式拋光技術的發展方向。
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