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摘要：为了抑制抛光粉纳米颗粒的团聚，改善抛光液的性能，使光学玻璃获得更高的抛光速率与更低的表面粗糙度，在氧化铈抛光液中添加阴离子表面活性剂梅迪兰，研究了梅迪兰质量分数对抛光液中粒子粒径、分散性以及材料去除率和抛光后光学玻璃表面粗糙度的影响。
关键词：表面活性剂；化学机械抛光；光学玻璃；材料去除率；表面粗糙度
1.实验
1.1氧化铈抛光液的制备
配制６份质量分数为３％的纯氧化铈悬浮液，分散剂为去离子水。然后添加质量分数分别为０、0.06%、0.13%、0.19%、0.26%、0.32%的梅迪兰，并用盐酸调节悬浮液的ph。将混合液超声分散30min，取出后置于恒温磁力搅拌水浴锅中，在一定温度下加热搅拌一段时间后取出，冷却后再用盐酸调节ph。该反应液即为化学机械抛光过程中使用的抛光液。
1.2化学机械抛光实验
准备６块直径为60mm、厚度为7.5mm的Ｋ9冕牌光学玻璃，6块玻璃在抛光前均经打磨处理，以确保表面粗糙度和形貌相同。采用YP035.2型单轴研磨抛光机和聚氨酯抛光垫进行化学机械抛光实验。具体参数如下：工作压力为0.1MPa，主轴转速为70r／min，摆架转速为30r／min，抛光时间为4h，控制抛光液的滴加速度不变，抛光液使用量为90ml，温度为（20±0.5）℃，湿度为50%-60%。
1.3性能表征
采用Bettersize2000型激光粒度仪表征抛光液中粒子的粒径分布，采用扫描电子显微镜（SEM）表征粒子的分散性。采用电子天平称量抛光前后K9玻璃的质量，用材料去除率来表征抛光速率。
2.结果与讨论
2.1表面活性剂质量分数对抛光液中粒子粒径及分散性的影响
在抛光过程中，氧化铈颗粒粒径是影响工件表面抛光效果的重要因素，粒径较大的氧化铈粒子容易造成工件表面损伤。通常采用减小磨料粒径的方法来提高工件的表面质量，目前常用的精细氧化铈抛光粉的粒径大多在纳米量级。尺寸效应和表面效应使得纳米颗粒极易团聚，并且粉体分散在水中时极易在静电引力、范德瓦耳斯力、颗粒毛细管力等力的作用下发生二次团聚，形成大颗粒，劣化抛光效果。因此，解决纳米颗粒的团聚问题，改善抛光液中粒子的分散性对于获得优良的抛光效果至关重要。
随着梅迪兰质量分数增大，抛光液中大颗粒粒子数量逐渐减少；当梅迪兰质量分数从０增大到0.13%时，大颗粒粒子数量急剧减少。随着梅迪兰质量分数增大，粒子的中位粒径逐渐减小，由2.070μｍ减小到0.389μｍ；当梅迪兰质量分数从０增大到0.13%时，中位粒径急剧减小，之后随着梅迪兰质量分数继续增大，中位粒径的变化很小。由此说明，表面活性剂梅迪兰可以抑制氧化铈纳米粒子的团聚，使粒子大都集中在小粒径范围内，这对于控制化学机械抛光后的玻璃表面缺陷具有一定作用。当梅迪兰质量分数达到临界胶束浓度（CMC）时，梅迪兰对抛光液性能的影响达到饱和状态，继续增大梅迪兰质量分数，中位粒径及粒径分布无明显变化。梅迪兰能改善纳米粒子的团聚，这是因为一方面梅迪兰能吸附在颗粒表面，使颗粒表面带负电，在静电排斥力作用下阻止相邻粒子的团聚；另一方面，梅迪兰的有机分子长链在外端起到空间位阻作用，进一步阻止颗粒团聚。随着梅迪兰质量分数增大，其吸附量增大，颗粒表面的电负性增强，静电排斥力增大，空间位阻效应增强，能有效改善纳米粒子的团聚。
在没有添加梅迪兰的抛光液中，内部的粒子都聚集在一起形成了比较大的颗粒，这种颗粒就对于后期的玻璃抛光带来一定的影响；在抛光液中加入了0.06%和0.13%的梅迪兰后，抛光液中的颗粒尺寸有着明显的尖山，并且能够很好的分散在抛光液中；然后随着梅迪兰的质量分数逐渐的增加，抛光液中颗粒的稳定性也在逐渐的增加。这其中的原理与抑制团聚的原理是一致的，这同时也说明了对于团聚的抑制能够有效的改善粒子的分散性；梅迪兰的湿润性以及渗透性能够有效的降低溶液的张力；颗粒外部包裹着梅迪兰，能够有效的降低颗粒表面能，使其体系稳定性升高，从而能够有效的改善抛光液的质量，以此来提高玻璃抛光的效果。
2.2表面活性剂质量分数对Ｋ９玻璃化学机械抛光的影响
2.2.1对抛光速率的影响
在抛光液中加入梅迪兰与没有加入的抛光液相比较，材料去除率有所降低，这是因为磨料粒径也有了一定的减少，所以导致材料去除率较低；同时随着梅迪兰质量分数的不断增大，材料去除率由大变小，当在抛光液中添加了质量分数为0.26的梅迪兰的时候，材料去除率达到了122nm/min，成为最大值，与没有添加梅迪兰的相比，材料去除率增加了37%。同时，在抛光液中的磨料粒径也有所减少，但是分布的却更加的集中，因此在抛光的过程中参与的有效粒子数量也有了明显的增多。在抛光液中加入梅迪兰对于抛光过程中物料的传输有一定的加快的作用，能够使玻璃表面及时的裸露出来进行抛光，提高了抛光的速率。
随着梅迪兰的质量分数不断的增加，抛光液中的浓度也在不断的升高，液膜逐渐的编号胡，导致参与抛光的粒子不能够有效的与玻璃表面进行接触，导致接触面积不断的减少，降低抛光速率。同时，抛光液浓度上升，黏度逐渐的增大，不利于玻璃表面物质的传输工作，不能够及时的将抛光过程中所产生的碎屑带走，不能够及时的露出新的表面，也会降低抛光的速率。
2.2.2对抛光后表面粗糙度的影响
随着梅迪兰的质量分数从０增大到0.32%，抛光后玻璃的表面粗糙度先减小后增大，在梅迪兰质量分数为0.13%时达到最小值0.928nm，比未添加表面活性剂时减小了32%。未添加梅迪兰时，抛光后的玻璃表面有很多毛刺，而添加梅迪兰进行抛光后，玻璃表面的毛刺明显变少，表面相对平坦。
随着梅迪兰质量分数从０增大到0.13%，抛光液中磨料的粒径逐渐减小，粒子的分散性改善，避免了抛光过程中大颗粒在玻璃表面产生划痕等缺陷。另一方面，梅迪兰具有优良的润湿性、润滑性和渗透性，能大幅减小溶液的表面张力；在化学机械抛光过程中，梅迪兰先渗透到抛光液与玻璃表面的缝隙中，之后附着并铺展在玻璃表面，包覆抛光产物，加快抛光过程的物质输运和热量传递，能迅速将产物带离抛光表面，避免了局部抛光产物滞留和局部温度过高而引起的化学反应不均等问题，因此抛光后玻璃的表面粗糙度减小；但是随着梅迪兰质量分数继续增大，抛光液的黏度增大，不利于物质的输运，导致局部产物堆积，使得化学反应不均，新的表面不能及时露出，无法及时参与抛光，最终导致粗糙度增大。
结语：在抛光液中加入梅迪兰能够有效的改善光学玻璃抛光的质量，当加入抛光液中的梅迪兰质量分数达到0.26%时，玻璃抛光的速率能够达到最大值，达到122nm／min；当梅迪兰的质量分数下降到0.13时，抛光后的玻璃表面的粗糙程度下降到最小值，达到0.928nm。这就能够为光学玻璃的抛光的过程进行一定的指导，就是在进行抛光的时候，可以先选用加入质量分数为0.26%的梅迪兰抛光液进行抛光，提高抛光的效率，然后再利用质量分数为0.13%的进行抛光，提高玻璃表面的细腻程度，使抛光后的玻璃能够达到质量的要求。
参考文献：
[1]超精度石英玻璃的化学机械抛光[J].王仲杰,王胜利,王辰伟,张文倩,郑环.微纳电子技术.2017(01)
[2]影响化工机械表面粗糙度的因素及改善措施[J].窦振.民营科技.2012(03)
[3]影响化工机械表面粗糙度的因素与措施[J].樊明锋,孙晓杰,张小强.中国石油和化工标准与质量.2012(09)