磨削蓝宝石基片的软磨料砂轮的研制及性能研究

摘要

单晶蓝宝石具有一系列优良的性能，莫式硬度高达9，在军事和民用领域具有广泛的用途。由于其硬度大，传统的平整化加工方法(研磨+抛光)存在加工效率低、难以实现自动化、污染环境等缺点，因此，国内外专家学者一直致力于如何实现单晶蓝宝石基片的高效、无损伤表面的超精密加工技术的研究。其中，采用固结磨料的超精密磨削技术是目前研究的热点，并已取得了显著的成果，但传统的金刚石砂轮磨削不可避免的会在单晶蓝宝石基片表面产生损伤，还需要后续的化学机械抛光去除损伤层，反而降低了基片的加工效率。
　　 针对上述问题，为了高效无损地加工单晶蓝宝石基片，本文提出了采用软磨料砂轮磨削单晶蓝宝石的加工方法，利用砂轮磨料、添加剂和单晶蓝宝石之间的固相化学反应和软磨料的机械摩擦作用实现单晶蓝宝石基片超光滑、低损伤磨削加工。根据单晶蓝宝石的物理化学性质，本文设计制造了超精密磨削单晶蓝宝石基片的软磨料砂轮，设计两个软磨料砂轮的组织成分，进行磨具的压制和软磨料砂轮的制造，并通过磨削修整试验，验证了两个软磨料砂轮的实用性；进行了磨料和单晶蓝宝石之间的固相化学模拟试验，模拟磨削过程中的固相化学反应，试验表明，MgO和Fe2O3磨料都可以与单晶蓝宝石发生固相化学反应，为软磨料磨削机理提供理论依据；进行了软磨料砂轮磨削蓝宝石基片的磨削性能试验，结果表明，使用软磨料砂轮可以实现对单晶蓝宝石的超精密加工，软磨料砂轮加工蓝宝石有比金刚石砂轮更优的加工性能，软磨料砂轮加工后的蓝宝石表面质量可达表面粗糙度Ral.365nm，且软磨料砂轮可以实现更小的表面材料去除率，实现无损伤磨削；最后进行角度抛光试验，通过对单晶蓝宝石基片进行切割、粘片、研磨、抛光、腐蚀一系列流程，验证了软磨料砂轮磨削后的单晶蓝宝石基片是亚表面无损伤的单晶蓝宝石基片。

目录

文摘

英文文摘

声明

1 绪论

1.1 课题的提出

1.2 课题来源

1.3 单晶蓝宝石晶体的材料特性

1.4 单晶蓝宝石基片国内外加工现状

1.4.1 单晶蓝宝石基片材料加工技术简介

1.4.2 蓝宝石国外加工现状

1.4.3 蓝宝石国内加工现状

1.5 本文的研究意义及主要工作

2 软磨料和蓝宝石粉末反应的模拟验证试验

2.1 软磨料去除蓝宝石的方式

2.2 粉末模拟试验验证反应可行性

2.2.1 试验原理

2.2.2 粉末试验过程

2.2.3 试验结果分析

2.3 本章小结

3 软磨料砂轮的设计与制造

3.1 软磨料砂轮的组织设计

3.1.1 软磨料砂轮磨具主料的选择

3.1.2 软磨料砂轮磨具辅料和结合剂的选择

3.1.3 软磨料磨具配方

3.2 软磨料砂轮基体的设计

3.2.1 软磨料砂轮结构的设计

3.2.2 软磨料磨具的制造工艺

3.3 软磨料砂轮的修整

3.3.1 软磨料砂轮修整方法及修整工具

3.3.2 软磨料砂轮的修整试验

3.4 本章小结

4 软磨料砂轮磨削单晶蓝宝石试验研究

4.1 试验介绍

4.1.1 超精密旋转工作台磨削

4.1.2 旋转磨削原理

4.2 软磨料砂轮磨削试验

4.2.1 软磨料磨削后的基片清洗

4.2.2 磨削采用的夹持方式

4.3 磨削试验结果与讨论

4.4 磨削原理

4.4.1 软磨料磨具加工材料去除模型

4.4.2 单晶蓝宝石固相化学反应原理

4.5 本章小结

5 软磨料砂轮磨削后单晶蓝宝石基片的损伤研究

5.1 角度抛光试验所用的研磨抛光设备

5.2 角度抛光法测损伤原理

5.3 蓝宝石基片角度抛光法试验步骤

5.3.1 抛光液的选取

5.3.2 腐蚀液的选取

5.4 角度抛光试验结果

5.5 本章小结

结 论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致 谢