大尺寸KDP水溶解超精密环形抛光方法研究
发布时间：2021-09-06 17:22
磷酸二氢钾（KH2PO4,简称KDP）作为一种优质的非线性光学材料,是目前惯性约束核聚变（ICF）装置中唯一可用作倍频转换元件和光电开关的大尺寸软脆晶体。ICF工程对KDP晶体提出了严格的要求,如大尺寸、极低的表面粗糙度、极好的平面度。然而,由于KDP晶体具有质软、各向异性、易潮解等材料特性,是公认的一种最难加工的光学材料,大尺寸、高质量的KDP晶体加工已成为ICF等相关项目的瓶颈之一。为此,本文基于KDP晶体易潮解原理,将水溶解原理与环形抛光方法相结合,探究了水溶解超精密环形抛光方法加工大尺寸KDP晶体的可行性与有效性,利用运动学及计算机仿真技术,模拟分析了抛光过程中水核的运动轨迹均匀性,并通过试验验证了仿真结果的正确性。首先,基于区域划分和区域统计策略,提出了水核运动轨迹均匀性仿真分析的新方法,根据KDP晶体与抛光垫之间的运动关系,建立了水核在KDP晶体表面的运动轨迹方程,并引入变异系数作为轨迹均匀性的评价指标,对定偏心与不定偏心运动形式下的水核运动轨迹均匀性进行了分析,发现转速比在0-1之间时,不定偏心式的变异系数在0.48-0.65之...
【文章来源】：大连理工大学辽宁省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：70 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
单点金刚石飞切加工示意图
大连理工大学的王碧玲[46-50]等从KDP晶体潮解规律入手,提出了无磨料水溶解抛光新方法,并研制了由表面活性剂、水以及油组成的专用油包水型抛光液(图1.5),微水滴被包裹于一侧亲水、一侧亲油的表面活性剂中,形成水核分散于油相母液中。在稳定状态时,微水滴被表面活性剂所包裹,不与晶体材料直接接触,理论上无溶解反应发生,晶体表面受到油相保护,不易被抛光液快速溶解;而当施加一定的抛光压力后,水核受到抛光垫和晶体间摩擦产生的剪切作用而变形破碎,使微水滴从水核当中被释放,并与晶体表面材料接触,发生溶解反应,实现晶体表面材料的去除,同时摩擦升温会加快材料的溶解,溶解产物被流动的抛光液带走,最终获得超光滑表面。通过无磨料水溶解抛光方法,在ZY200对15 mm×15 mm×5 mm尺寸的KDP样件进行了抛光,在最优的工艺参数组合下,得到了表面粗糙度RMS小于2 nm的少无应力损伤的晶体表面,验证了水溶解抛光方法加工KDP晶体的可行性,有效性。哈尔滨工业大学的张飞虎、郭少龙、张秀丽等[51-54]基于KDP晶体的潮解特性,研制出了由乙醇、水、表面活性剂组成的无磨料抛光液,并在ZYP 280上进行了抛光试验,研究了抛光液流量、抛光盘转速、抛光压力、抛光时间等工艺参数对材料去除率与表面粗糙度的影响规律,最终获得了表面粗糙度RMS小于5 nm的光滑表面。
王旭等[61-66]提出了微纳水溶解抛光方法,并结合计算机数控光学表面成型技术对KDP晶体进行抛光,建立了KDP晶体数控超精密抛光试验系统(图1.6),揭示了基于水溶解原理的KDP晶体抛光过程材料的“机械–水溶解交互协同作用”去除机理,成功实现了对SPDT加工后晶体表面残留的小尺度飞切刀纹的去除,经过对抛光参数的不断优化,在50 mm×50 mm的KDP晶体样件上抛光得到了表面粗糙度RMS达到1.820 nm的超光滑表面。中国工程物理研究的DONG等[68]将KDP水溶液代替“油包水”型微乳液中的水,利用正癸醇、曲拉通X-100及KDP水溶液组成了新型抛光液,并研究了KDP水溶液的浓度对晶体表面质量的影响,结果表明,随着KDP水溶液浓度的升高,晶体材料去除率不断降低,利用KDP水溶液浓度为30 mmol/L的抛光液对35×35×10 mm3的KDP样件进行抛光,得到了表面粗糙度RMS1.5 nm的超光滑表面。
【参考文献】：
期刊论文
[1]方形工件环形抛光中倾覆力矩对面形的影响[J]. 张铉,熊长新,陈光,钟林. 光学与光电技术. 2019(02)
[2]KDP晶体表面残留磁流变抛光液清洗技术研究（英文）[J]. 李晓媛,高伟,田东,董会,吉方,王超. 红外与激光工程. 2018(S1)
[3]KDP晶体单点金刚石飞切过程裂纹扩展影响因素研究[J]. 杜晓文,韩雪松,郭海涛. 人工晶体学报. 2018(01)
[4]KDP晶体无磨料潮解抛光技术研究[J]. 张成光,李晋,张勇,张飞虎. 工具技术. 2017(11)
[5]皮秒激光抛光KDP晶体的工艺研究[J]. 韩小花,邓磊敏,吴宝业,白克强,周翔,刘朋,段军. 激光技术. 2018(02)
[6]基于环形抛光的稳态确定性抛光方法[J]. 尹进,朱健强,焦翔,冉钰庭. 中国激光. 2017(11)
[7]神光-Ⅲ主机装置成功实现60TW/180kJ三倍频激光输出[J]. 郑万国,魏晓峰,朱启华,景峰,胡东霞,张小民,粟敬钦,郑奎兴,王成程,袁晓东,周海,陈波,王健,马平,许乔,杨李茗,代万俊,周维,王方,许党朋,谢旭东,冯斌,彭志涛,郭良福,陈远斌,张雄军,刘兰琴,林东晖,党钊,向勇,陈晓东,张维岩. 强激光与粒子束. 2016(01)
[8]Micro water dissolution machining principle and its application in ultra-precision processing of KDP optical crystal[J]. GAO Hang,WANG Xu,TENG XiaoJi,GUO DongMing. Science China（Technological Sciences）. 2015(11)
[9]微纳水溶解抛光工艺参数对KDP晶体表面粗糙度影响的试验研究[J]. 王旭,高航,陈玉川,滕晓辑. 人工晶体学报. 2015(10)
[10]神光-Ⅲ主机装置MJ级能源系统研制现状[J]. 齐珍,陈德怀,赖贵友,郭良福,力一峥,栾永平,李冬梅,周丕璋. 强激光与粒子束. 2014(05)
博士论文
[1]基于水溶解原理的KDP晶体超精密数控抛光方法[D]. 王旭.大连理工大学 2017
硕士论文
[1]超精密抛光机结构设计及开发[D]. 李俊卿.大连理工大学 2019
[2]BK7光学平面玻璃环抛工艺实验研究[D]. 张超.湖南大学 2018
[3]晶体表面的离子束刻蚀机理研究[D]. 包强.西安工业大学 2016
[4]KDP晶体离子束清洗工艺技术研究[D]. 邓鸿飞.国防科学技术大学 2015
[5]KDP逐点可控微纳溶解拋光理论仿真及试验研究[D]. 张和平.大连理工大学 2012
[6]大口径平面光学元件加工的工艺方法研究[D]. 马志成.中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所） 2010
[7]KDP晶体潮解抛光的实验研究[D]. 张秀丽.哈尔滨工业大学 2009
[8]环形抛光技术研究[D]. 阴旭.电子科技大学 2007
本文编号：3387868
【文章来源】：大连理工大学辽宁省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：70 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
单点金刚石飞切加工示意图
大连理工大学的王碧玲[46-50]等从KDP晶体潮解规律入手,提出了无磨料水溶解抛光新方法,并研制了由表面活性剂、水以及油组成的专用油包水型抛光液(图1.5),微水滴被包裹于一侧亲水、一侧亲油的表面活性剂中,形成水核分散于油相母液中。在稳定状态时,微水滴被表面活性剂所包裹,不与晶体材料直接接触,理论上无溶解反应发生,晶体表面受到油相保护,不易被抛光液快速溶解;而当施加一定的抛光压力后,水核受到抛光垫和晶体间摩擦产生的剪切作用而变形破碎,使微水滴从水核当中被释放,并与晶体表面材料接触,发生溶解反应,实现晶体表面材料的去除,同时摩擦升温会加快材料的溶解,溶解产物被流动的抛光液带走,最终获得超光滑表面。通过无磨料水溶解抛光方法,在ZY200对15 mm×15 mm×5 mm尺寸的KDP样件进行了抛光,在最优的工艺参数组合下,得到了表面粗糙度RMS小于2 nm的少无应力损伤的晶体表面,验证了水溶解抛光方法加工KDP晶体的可行性,有效性。哈尔滨工业大学的张飞虎、郭少龙、张秀丽等[51-54]基于KDP晶体的潮解特性,研制出了由乙醇、水、表面活性剂组成的无磨料抛光液,并在ZYP 280上进行了抛光试验,研究了抛光液流量、抛光盘转速、抛光压力、抛光时间等工艺参数对材料去除率与表面粗糙度的影响规律,最终获得了表面粗糙度RMS小于5 nm的光滑表面。
王旭等[61-66]提出了微纳水溶解抛光方法,并结合计算机数控光学表面成型技术对KDP晶体进行抛光,建立了KDP晶体数控超精密抛光试验系统(图1.6),揭示了基于水溶解原理的KDP晶体抛光过程材料的“机械–水溶解交互协同作用”去除机理,成功实现了对SPDT加工后晶体表面残留的小尺度飞切刀纹的去除,经过对抛光参数的不断优化,在50 mm×50 mm的KDP晶体样件上抛光得到了表面粗糙度RMS达到1.820 nm的超光滑表面。中国工程物理研究的DONG等[68]将KDP水溶液代替“油包水”型微乳液中的水,利用正癸醇、曲拉通X-100及KDP水溶液组成了新型抛光液,并研究了KDP水溶液的浓度对晶体表面质量的影响,结果表明,随着KDP水溶液浓度的升高,晶体材料去除率不断降低,利用KDP水溶液浓度为30 mmol/L的抛光液对35×35×10 mm3的KDP样件进行抛光,得到了表面粗糙度RMS1.5 nm的超光滑表面。
【参考文献】：
期刊论文
[1]方形工件环形抛光中倾覆力矩对面形的影响[J]. 张铉,熊长新,陈光,钟林. 光学与光电技术. 2019(02)
[2]KDP晶体表面残留磁流变抛光液清洗技术研究（英文）[J]. 李晓媛,高伟,田东,董会,吉方,王超. 红外与激光工程. 2018(S1)
[3]KDP晶体单点金刚石飞切过程裂纹扩展影响因素研究[J]. 杜晓文,韩雪松,郭海涛. 人工晶体学报. 2018(01)
[4]KDP晶体无磨料潮解抛光技术研究[J]. 张成光,李晋,张勇,张飞虎. 工具技术. 2017(11)
[5]皮秒激光抛光KDP晶体的工艺研究[J]. 韩小花,邓磊敏,吴宝业,白克强,周翔,刘朋,段军. 激光技术. 2018(02)
[6]基于环形抛光的稳态确定性抛光方法[J]. 尹进,朱健强,焦翔,冉钰庭. 中国激光. 2017(11)
[7]神光-Ⅲ主机装置成功实现60TW/180kJ三倍频激光输出[J]. 郑万国,魏晓峰,朱启华,景峰,胡东霞,张小民,粟敬钦,郑奎兴,王成程,袁晓东,周海,陈波,王健,马平,许乔,杨李茗,代万俊,周维,王方,许党朋,谢旭东,冯斌,彭志涛,郭良福,陈远斌,张雄军,刘兰琴,林东晖,党钊,向勇,陈晓东,张维岩. 强激光与粒子束. 2016(01)
[8]Micro water dissolution machining principle and its application in ultra-precision processing of KDP optical crystal[J]. GAO Hang,WANG Xu,TENG XiaoJi,GUO DongMing. Science China（Technological Sciences）. 2015(11)
[9]微纳水溶解抛光工艺参数对KDP晶体表面粗糙度影响的试验研究[J]. 王旭,高航,陈玉川,滕晓辑. 人工晶体学报. 2015(10)
[10]神光-Ⅲ主机装置MJ级能源系统研制现状[J]. 齐珍,陈德怀,赖贵友,郭良福,力一峥,栾永平,李冬梅,周丕璋. 强激光与粒子束. 2014(05)
博士论文
[1]基于水溶解原理的KDP晶体超精密数控抛光方法[D]. 王旭.大连理工大学 2017
硕士论文
[1]超精密抛光机结构设计及开发[D]. 李俊卿.大连理工大学 2019
[2]BK7光学平面玻璃环抛工艺实验研究[D]. 张超.湖南大学 2018
[3]晶体表面的离子束刻蚀机理研究[D]. 包强.西安工业大学 2016
[4]KDP晶体离子束清洗工艺技术研究[D]. 邓鸿飞.国防科学技术大学 2015
[5]KDP逐点可控微纳溶解拋光理论仿真及试验研究[D]. 张和平.大连理工大学 2012
[6]大口径平面光学元件加工的工艺方法研究[D]. 马志成.中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所） 2010
[7]KDP晶体潮解抛光的实验研究[D]. 张秀丽.哈尔滨工业大学 2009
[8]环形抛光技术研究[D]. 阴旭.电子科技大学 2007
本文编号：3387868
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