纯铅的化学机械抛光
发布时间：2021-06-22 08:15
为获得理想的超光滑纯铅表面,并提高加工速率和降低表面缺陷,采用化学机械抛光（CMP）的方法并辅以自制抛光液,研究了胶体二氧化硅抛光颗粒的形状、粒径和浓度、加载压力、抛光头与抛光盘转向和转速、抛光液流量等工艺参数,以及研究了抛光液中氧化剂、络合剂和润滑剂等添加剂各自的种类和浓度对铅片表面材料去除率和粗糙度的影响。研究表明:（1）小粒径异形（眉形）胶体二氧化硅抛光颗粒相较于大粒径球形颗粒更有利于铅片抛光,抛光颗粒的粒径和浓度对纯铅抛光性能影响主要取决于铅片表面与胶体二氧化硅颗粒以及抛光垫表面丝绒的耦合作用关系。（2）随着加载压力、抛光头与抛光盘转向和转速、抛光液流量的改变,铅片表面和抛光垫之间驻留的层间抛光液的厚度以及状态发生改变,从而直接影响抛光液的流动性、润滑性和分散性,以及影响抛光颗粒和化学试剂与铅片表面的机械化学作用,进而影响抛光质量和材料去除率。（3）添加剂对纯铅抛光性能的影响中,氧化剂的影响主要取决于氧化性和自身分解性的强弱;络合剂的影响主要取决于官能团的种类和数量,以及本身的酸碱性和在对应pH范围内的活性;润滑剂的影响主要取决于水溶性、分散性和自身的粘度、分子大小。（4）随着...
【文章来源】：西南科技大学四川省
【文章页数】：61 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
纯铅天然氧化后的实物图
西南科技大学硕士学位论文4域，铅表面质量的研究在国内外均变得尤为重要。同时，高表面质量的纯铅试样在我国国防领域的精密物理实验中还存在着特殊的应用。但由于纯铅的低硬度性使得纯铅在加工过程中易产生表面缺陷，而易氧化性又使得加工后的纯铅表面真实性被严重覆盖，又强展性可使得加工过程中易发生塑性流动等，故而纯铅的加工难度极大。因此，目前还几乎未见纯铅的超精密加工的相关研究报道。1.2铅超精密加工可行性分析1.2.1金刚石飞切单点金刚石飞切加工技术是一种具备高精度和高经济效益的超精密加工技术[10]，其加工机床示意图如图1-2所示，工件由机器主轴上的真空卡盘固定，金刚石刀具则由副轴上飞刀盘固定[11]，常用的金刚石刀具如图1-3所示。在单点金刚石飞切加工过程中，可根据不同的工件形状，分别控制慢速刀具或/和快速刀具的伺服单元，加工出所需的工件形状[12]。与其它超精密加工方法技术相比较，采用单点金刚石飞切技术能加工出结构较为复杂的面型轮廓，特别对于线性槽微结构、由多条相交线组成的阵列槽微结构，重复性的棱柱矩阵微结构、金字塔矩阵微结构等的加工上，该技术均能够起着十分可靠的加工作用[10,13-14]。而且，采用单点金刚石飞切技术加工后，可直接使加工工件呈现出纳米级的表面质量和亚微米级的面形精度，故此，该技术加工后的工件表面不再需要后续的任何加工即能用于生产[10,13-16]。因此，单点金刚石飞切加工技术在微结构表面的超精密加工中优势颇多，故其在制造业中的运用前景也相对广泛可靠[10,13]。图1-2常见超精密机床示意图Fig.1-2Schematicimageofcommonultra-precisionmachinetools
绪论5图1-3金刚石刀具Fig.1-3Diamondtool目前，对如铅类“超软金属”进行超精密表面的加工，可采用这类业界较为先进的单点金刚石飞切加工技术进行，但这类加工技术对机床精度以及稳定性要求极高，且具有加工成本高、耗费工时长，以及不能有效避免刀具在加工表面留下刀痕等缺点[11-12,17-18]，纯铅片通过单点金刚石飞切加工后的表面实物图如图1-4(a)所示。图1-4(b)所示为利用白光干涉三维轮廓仪（MFT3000，Rtec，USA）对金刚石飞切加工后的纯铅片扫描获得的三维形貌图，扫描区域为222μm×177μm，计算获得其表面粗糙度（Ra）约为50nm。据报道，这类加工技术通过工艺优化，最优可获得粗糙度Ra约在2~8nm的加工表面，但此类加工技术很难得到表面粗糙度更低的且无加工纹理的超光滑纯铅表面。图1-4单点金刚石飞切加工后的纯铅表面实物图(a)和三维形貌图(b)（Ra50nm）Fig.1-4Actualimage(a)andopticalprofilometryimage(b)ofpureleadsurfacebysinglepointdiamondfly-cutting(Ra50nm)1.2.2抛光对于表面质量的研究，目前国内外更多的是集中在抛光技术上。而一般我们平常所接触到的抛光技术，更多的是传统意义上的抛光，传统抛光技术主要分为两种：机械抛光和化学抛光。采用机械抛光时，其工件表面材料去除率极高。但对于纯铅而言，机械切削或研磨抛光加工技术已经到达了极限。其原因为“超软金属”纯铅在切削或研磨抛光时，施加在纯铅片上的抛光力会产生残余应力，故抛光力如果控制不当便会导致亚表面损伤[19]，同时由于在干摩擦下产生的热量较大，大量的摩擦热会使纯铅片表面易于发生塑性变形，且还可能会发生表面再结晶[20]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]氧化铝抛光液对铝合金化学机械抛光性能的研究（英文）[J]. 张泽芳,张文娟,张善端,李富友. 摩擦学学报. 2019(01)
[2]添加剂对微晶玻璃化学机械抛光的影响[J]. 白林山,王金普,储向峰. 润滑与密封. 2017(11)
[3]镁合金AZ91D化学机械抛光工艺研究[J]. 黄华栋,卞达,杨大林,赵永武,吴冬燕. 现代制造工程. 2017(02)
[4]304不锈钢化学机械抛光工艺参数研究[J]. 李庆,陈绍坤,彭亚男,秦洪权,付素芳,苏建修. 金刚石与磨料磨具工程. 2016(05)
[5]络合剂对蓝宝石晶片化学机械抛光的影响[J]. 熊伟,白林山,储向峰,董永平,陈均,毕磊,叶明富. 机械科学与技术. 2014(07)
[6]高铝高炉渣的物理化学性质[J]. 张银鹤,孙长余,汪琦. 辽宁科技大学学报. 2012(05)
[7]过氧化氢抛光液体系中钌的化学机械抛光研究[J]. 储向峰,王婕,董永平,乔红斌,张王兵. 摩擦学学报. 2012(05)
[8]高精密和超精密机床[J]. 张曙,卫汉华,谭惠民,黄仲明. 航空制造技术. 2012(09)
[9]MEMS器件制造中镍的化学机械抛光研究（英文）[J]. 储向峰,李秀金,董永平,张王兵,白林山. 稀有金属材料与工程. 2012(04)
[10]抛光液组分对硬盘盘基片超光滑表面抛光的影响[J]. 周艳,罗桂海,潘国顺. 纳米技术与精密工程. 2012(02)
硕士论文
[1]钛合金及镍基合金化学机械抛光研究[D]. 史智丰.大连理工大学 2017
[2]硬脆材料（蓝宝石、微晶玻璃）晶片化学机械抛光研究[D]. 王金普.安徽工业大学 2016
[3]超薄304不锈钢片Roll-to-Roll化学机械抛光液研究[D]. 陈佳鹏.河南科技学院 2016
[4]互连芯片CMP接触去除过程数值模拟分析[D]. 蔡攀攀.福州大学 2016
[5]金属铝镜直接光学抛光关键技术研究[D]. 张艺.国防科学技术大学 2014
[6]光学微结构飞刀加工自动数控编程与表面质量预测的研究[D]. 焦洋洋.广东工业大学 2014
[7]金属钌的化学机械抛光研究[D]. 王婕.安徽工业大学 2013
[8]铝合金化学机械抛光工艺技术的研究[D]. 梅锦波.湖南大学 2013
[9]金刚石飞切最小切削厚度预测的研究[D]. 孙婉婷.吉林大学 2011
[10]微结构表面的金刚石飞切加工研究[D]. 郭兵.哈尔滨工业大学 2008
本文编号：3242490
【文章来源】：西南科技大学四川省
【文章页数】：61 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
纯铅天然氧化后的实物图
西南科技大学硕士学位论文4域，铅表面质量的研究在国内外均变得尤为重要。同时，高表面质量的纯铅试样在我国国防领域的精密物理实验中还存在着特殊的应用。但由于纯铅的低硬度性使得纯铅在加工过程中易产生表面缺陷，而易氧化性又使得加工后的纯铅表面真实性被严重覆盖，又强展性可使得加工过程中易发生塑性流动等，故而纯铅的加工难度极大。因此，目前还几乎未见纯铅的超精密加工的相关研究报道。1.2铅超精密加工可行性分析1.2.1金刚石飞切单点金刚石飞切加工技术是一种具备高精度和高经济效益的超精密加工技术[10]，其加工机床示意图如图1-2所示，工件由机器主轴上的真空卡盘固定，金刚石刀具则由副轴上飞刀盘固定[11]，常用的金刚石刀具如图1-3所示。在单点金刚石飞切加工过程中，可根据不同的工件形状，分别控制慢速刀具或/和快速刀具的伺服单元，加工出所需的工件形状[12]。与其它超精密加工方法技术相比较，采用单点金刚石飞切技术能加工出结构较为复杂的面型轮廓，特别对于线性槽微结构、由多条相交线组成的阵列槽微结构，重复性的棱柱矩阵微结构、金字塔矩阵微结构等的加工上，该技术均能够起着十分可靠的加工作用[10,13-14]。而且，采用单点金刚石飞切技术加工后，可直接使加工工件呈现出纳米级的表面质量和亚微米级的面形精度，故此，该技术加工后的工件表面不再需要后续的任何加工即能用于生产[10,13-16]。因此，单点金刚石飞切加工技术在微结构表面的超精密加工中优势颇多，故其在制造业中的运用前景也相对广泛可靠[10,13]。图1-2常见超精密机床示意图Fig.1-2Schematicimageofcommonultra-precisionmachinetools
绪论5图1-3金刚石刀具Fig.1-3Diamondtool目前，对如铅类“超软金属”进行超精密表面的加工，可采用这类业界较为先进的单点金刚石飞切加工技术进行，但这类加工技术对机床精度以及稳定性要求极高，且具有加工成本高、耗费工时长，以及不能有效避免刀具在加工表面留下刀痕等缺点[11-12,17-18]，纯铅片通过单点金刚石飞切加工后的表面实物图如图1-4(a)所示。图1-4(b)所示为利用白光干涉三维轮廓仪（MFT3000，Rtec，USA）对金刚石飞切加工后的纯铅片扫描获得的三维形貌图，扫描区域为222μm×177μm，计算获得其表面粗糙度（Ra）约为50nm。据报道，这类加工技术通过工艺优化，最优可获得粗糙度Ra约在2~8nm的加工表面，但此类加工技术很难得到表面粗糙度更低的且无加工纹理的超光滑纯铅表面。图1-4单点金刚石飞切加工后的纯铅表面实物图(a)和三维形貌图(b)（Ra50nm）Fig.1-4Actualimage(a)andopticalprofilometryimage(b)ofpureleadsurfacebysinglepointdiamondfly-cutting(Ra50nm)1.2.2抛光对于表面质量的研究，目前国内外更多的是集中在抛光技术上。而一般我们平常所接触到的抛光技术，更多的是传统意义上的抛光，传统抛光技术主要分为两种：机械抛光和化学抛光。采用机械抛光时，其工件表面材料去除率极高。但对于纯铅而言，机械切削或研磨抛光加工技术已经到达了极限。其原因为“超软金属”纯铅在切削或研磨抛光时，施加在纯铅片上的抛光力会产生残余应力，故抛光力如果控制不当便会导致亚表面损伤[19]，同时由于在干摩擦下产生的热量较大，大量的摩擦热会使纯铅片表面易于发生塑性变形，且还可能会发生表面再结晶[20]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]氧化铝抛光液对铝合金化学机械抛光性能的研究（英文）[J]. 张泽芳,张文娟,张善端,李富友. 摩擦学学报. 2019(01)
[2]添加剂对微晶玻璃化学机械抛光的影响[J]. 白林山,王金普,储向峰. 润滑与密封. 2017(11)
[3]镁合金AZ91D化学机械抛光工艺研究[J]. 黄华栋,卞达,杨大林,赵永武,吴冬燕. 现代制造工程. 2017(02)
[4]304不锈钢化学机械抛光工艺参数研究[J]. 李庆,陈绍坤,彭亚男,秦洪权,付素芳,苏建修. 金刚石与磨料磨具工程. 2016(05)
[5]络合剂对蓝宝石晶片化学机械抛光的影响[J]. 熊伟,白林山,储向峰,董永平,陈均,毕磊,叶明富. 机械科学与技术. 2014(07)
[6]高铝高炉渣的物理化学性质[J]. 张银鹤,孙长余,汪琦. 辽宁科技大学学报. 2012(05)
[7]过氧化氢抛光液体系中钌的化学机械抛光研究[J]. 储向峰,王婕,董永平,乔红斌,张王兵. 摩擦学学报. 2012(05)
[8]高精密和超精密机床[J]. 张曙,卫汉华,谭惠民,黄仲明. 航空制造技术. 2012(09)
[9]MEMS器件制造中镍的化学机械抛光研究（英文）[J]. 储向峰,李秀金,董永平,张王兵,白林山. 稀有金属材料与工程. 2012(04)
[10]抛光液组分对硬盘盘基片超光滑表面抛光的影响[J]. 周艳,罗桂海,潘国顺. 纳米技术与精密工程. 2012(02)
硕士论文
[1]钛合金及镍基合金化学机械抛光研究[D]. 史智丰.大连理工大学 2017
[2]硬脆材料（蓝宝石、微晶玻璃）晶片化学机械抛光研究[D]. 王金普.安徽工业大学 2016
[3]超薄304不锈钢片Roll-to-Roll化学机械抛光液研究[D]. 陈佳鹏.河南科技学院 2016
[4]互连芯片CMP接触去除过程数值模拟分析[D]. 蔡攀攀.福州大学 2016
[5]金属铝镜直接光学抛光关键技术研究[D]. 张艺.国防科学技术大学 2014
[6]光学微结构飞刀加工自动数控编程与表面质量预测的研究[D]. 焦洋洋.广东工业大学 2014
[7]金属钌的化学机械抛光研究[D]. 王婕.安徽工业大学 2013
[8]铝合金化学机械抛光工艺技术的研究[D]. 梅锦波.湖南大学 2013
[9]金刚石飞切最小切削厚度预测的研究[D]. 孙婉婷.吉林大学 2011
[10]微结构表面的金刚石飞切加工研究[D]. 郭兵.哈尔滨工业大学 2008
本文编号：3242490
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