蓝宝石光学微腔体的超声水合抛光方法研究

发布时间：2017-06-03 22:03

  本文关键词：蓝宝石光学微腔体的超声水合抛光方法研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：蓝宝石作为一种脆硬材料,具备熔点高、硬度高、抗电磁干扰,物理化学性能稳定、可工作于恶劣环境等优点。以蓝宝石为材料的光学微腔体结构更加紧凑,且节省装配时间、无装配误差;可以使传统光学系统实现微型化、集成化、列阵化。然而通过激光刻蚀后所形成的微腔体结构的加工精度和表面粗糙度往往达不到光学性能要求。因此需要借助一种精密抛光方法才能实现光滑表面。鉴于以往对于蓝宝石抛光方法的研究多为平面基片,对于微小结构的抛光方法鲜有报道;以及对于蓝宝石表面改性,降低表面硬度以提高材料去除效率提高表面质量,对此也鲜有研究。基于以上课题要求,本文提出了一种非接触式超声辅助水合抛光方法,既能解决蓝宝石材料难加工、抛光效率低的问题,也能解决微腔体结构难于抛光的难题。本文主要的工作及贡献有:1、提出改性方案并研究了蓝宝石表面改性的时效性、以及表面粗糙度对改性的影响规律。基于蓝宝石的化学特性,提出了水合改性和亲水性改性方案,对蓝宝石晶片进行改性处理,并通过硬度检测试验对比了改性能力强弱;当晶片放置一段时间后再次测量硬度时,发现了改性具有一定的时效性;同时通过几种不同表面粗糙度的晶片改性试验发现,晶片表面越粗糙,越容易发生改性,且硬度降低幅度越大。2、基于接触力学建立了材料去除模型。材料去除分为切削去除和变形去除,蓝宝石此类脆硬材料去除方式主要为变形去除,基于该种去除方式和接触力学理论,建立单颗磨粒的材料去除模型,并发现磨粒的速度及粒径增大都对材料去除起到促进作用,同时也建立了超声振动情况下的材料去除模型,通过对比发现超声振动下的材料去除量更均匀。3、应用ANSYS-Fluent分析了抛光液流体参数对微腔体的影响规律。根据课题要求设计微腔体基本形状和结构,并通过Gambit创建微腔体并导入到ANSYS-Fluent中设置不同的入口参数进行运算,得到了微腔体内速度和压强的分布规律;并通过离散相数值模拟了抛光磨粒在不同入口速度下的运动轨迹规律。同时考察了在超声振动的情况下微腔体内的速度、压强以及运动轨迹更加均匀一致,证明了在超声振动辅助下抛光效果更加。4、进行了超声辅助抛光对比试验。将两自由度超声振动切削装置改造后装夹蓝宝石晶片,在不同的振动频率和功率下测试工件位移曲线,并考察了不同改性方法和试验参数对抛光的影响作用,抛光液粒径对抛光质量的影响规律,以及对比了微腔体内不同位置的抛光质量。
【关键词】：蓝宝石 水合改性 超声振动抛光 光学微腔体
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ164.2
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-21
• 1.1 研究背景及意义11-12
• 1.2 蓝宝石的抛光方法12-20
• 1.3 研究目标和研究内容20-21
• 第2章 蓝宝石表面改性处理的研究21-43
• 2.1 蓝宝石表面水合改性处理21-28
• 2.1.1 蓝宝石水合改性原理21-23
• 2.1.2 蓝宝石表面粗糙度对水合改性的影响23-28
• 2.2 蓝宝石表面亲水性改性处理28-32
• 2.2.1 蓝宝石亲水性改性原理28-30
• 2.2.2 蓝宝石表面粗糙度对亲水性改性的影响30-32
• 2.3 改性方法的对比及时效性影响规律32-37
• 2.3.1 水合改性与亲水性改性的比较33-35
• 2.3.2 改性的时效性35-37
• 2.4 材料去除机理及材料去除函数37-42
• 2.4.1 材料去除机理37-38
• 2.4.2 单颗粒的材料去除函数38-39
• 2.4.3 磨粒流的材料去除量函数39-41
• 2.4.4 超声振动下的材料去除函数41-42
• 2.5 本章小结42-43
• 第3章 基于Fluent仿真抛光液试验参数对抛光效果的影响43-53
• 3.1 微腔体结构及仿真建模43-45
• 3.1.1 Fluent数值模拟基本过程43-44
• 3.1.2 腔体结构及仿真建模44-45
• 3.2 抛光液对微腔体内参数的影响规律45-47
• 3.2.1 入口速度对微腔体内部流速的影响45-46
• 3.2.2 入口速度对腔体内压强的影响46-47
• 3.3 离散相数值模拟磨粒轨迹分布47-49
• 3.4 超声振动对抛光效果的影响49-51
• 3.5 本章小结51-53
• 第4章 蓝宝石微腔体抛光试验研究53-65
• 4.1 抛光试验设计53-57
• 4.1.1 抛光试验方案53-55
• 4.1.2 工件运动位移测试55-57
• 4.2 试验参数对抛光效果的影响规律57-62
• 4.2.1 超声振动功率对抛光效果的影响57-60
• 4.2.2 超声振动频率对抛光效果的影响60-61
• 4.2.3 改性处理对抛光效果的影响规律61
• 4.2.4 抛光液粒径对抛光效果的影响规律61-62
• 4.3 微腔体内部粗糙度均匀性检验62-64
• 4.4 试验结果说明64
• 4.5 本章小结64-65
• 第5章 总结65-67
• 参考文献67-73
• 作者简介及在学期间所取得的科研成果73-75
• 一、作者简介73
• 二、主要研究成果73-75
• 致谢75-76

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