基于矩形喷嘴的光耦合纳米颗粒胶体射流抛光仿真及试验研究

发布时间：2020-05-24 16:49

【摘要】：科学技术的进步总是与各类先进制造技术相同步,科技的突飞猛进也受益于人类对更高、更快以及未知的不断追求。近些年伴随着电子产业、生物技术和航天航空技术的发展,人们对于高端精密设备的需求也更加急迫,比如芯片制造用的极紫外光刻机、更高分辨率的电子显微镜及更远更清晰的太空望远镜等。这些高端设备的研发和制造对光学元件的表面平整度以及面型精度提出了更高的要求,此外由于光学元件的制造一般使用硬脆材料,因此要求工件抛光后不会破坏工件表面晶格结构和无应力损伤。对于这些高要求的光学元件已经不能使用传统的研磨抛光方法来加工,新的光学元件表面抛光技术也就不断应运而生。紫外光诱导纳米颗粒胶体射流抛光技术是一种新近提出的光学元件精密抛光方法,利用纳米颗粒胶体在紫外光催化作用下与工件表面材料发生吸附反应,然后利用胶体射流在工件表面的剪切作用带走发生吸附反应的表面材料,实现材料的确定去除。该加工方法可以实现工件表面纳米级的材料去除,并且抛光后的工件表面无应力损伤层。本文首先设计了紫外光诱导纳米颗粒胶体射流抛光的试验系统,光液耦合喷嘴是该试验系统的设计重点。根据射流喷嘴结构以及射流基本特性,设计了棱柱矩形光液耦合喷嘴以及双射流矩形光液耦合喷嘴。利用Fluent计算流体分析软件,建立并分析了光液耦合喷嘴的自由紊动射流模型和冲击射流模型,另外设计了圆锥矩形光液耦合喷嘴与棱柱矩形光液耦合喷嘴进行对比。仿真结果表明,棱柱矩形光液耦合喷嘴的流场速度分布相比圆锥矩形光液耦合喷嘴更加均匀,双射流矩形光液耦合喷嘴的射流喷距应小于射流的会聚区。根据田口优化方法对光液耦合喷嘴的尺寸参数进行优化,优化后的光液耦合喷嘴具有更大的射流初速度、射流分布更加均匀。通过变量控制法分析抛光工艺参数对光液耦合喷嘴冲击射流时工件表面流场分布的影响,最后根据优化后的光液耦合喷嘴和抛光工艺参数,使用实验室自制的紫外光诱导纳米颗粒胶体射流抛光试验系统,对单晶硅进行了定点射流抛光试验,验证紫外光诱导纳米颗粒胶体射流抛光方法对工件表面材料去除的影响。试验结果表明紫外光诱导纳米颗粒胶体射流抛光可以明显改善工件表面质量,降低表面粗糙度且抛光过程不会在工件表面产生机械划痕,且无残留应力,实现工件表面的超精密抛光,为光学元件的无损超精密抛光提供了一种高效经济的先进光学制造技术。
【图文】：

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本文编号：2678694