纳米金刚石磨粒团聚对熔石英摩擦磨损性能的影响_程磊.pdf

第 31 卷 第 7 期2023 年 4 月Vol.31 No.7Apr.2023光学 精密工程 Optics and Precision Engineering纳米金刚石磨粒团聚对熔石英摩擦磨损性能的影响程磊1，2，何洪途1，叶敏恒2，王超2*，余家欣1*（1.西南科技大学 制造过程测试技术教育部重点实验室，四川 绵阳 621010；2.中国工程物理研究院 机械制造工艺研究所，四川 绵阳 621900）摘要：为了研究磁流变抛光液中磨粒团聚对光学玻璃元件的磨损性能，利用环境可控的直线往复式摩擦磨损试验机，以不锈钢球为对磨副，以熔石英为基底，系统地研究了磁流变抛光液中纳米金刚石磨粒团聚程度对熔石英摩擦磨损性能的影响，并利用光学显微镜、白光干涉仪等设备分析熔石英的磨损机制，最后将摩擦学实验结果与实际磁流变抛光结果进行对比。实验结果表明：纳米金刚石磨粒团聚程度越大，熔石英表面的材料去除率越大，磨损区域亚表面损伤情况越严重。当载荷为 0.5 N 时，熔石英在团聚磨粒作用下的磨损主要以黏着磨损为主，伴随着轻微的磨粒磨损，同时熔石英的亚表面无明显损伤；当载荷从 0.5 N 增加到 4 N 时，熔石英的磨损形式以磨粒磨损为主，熔石英的表面和亚表面出现大量损伤。采用相同磨粒团聚程度的抛光液进行熔石英磨损与磁流变抛光实验发现，熔石英在磁流变抛光过程中的材料去除率与磨损实验的材料去除率变化趋势保持一致，表明借助摩擦磨损实验在一定程度上可以预测实际磁流变抛光中的材料去除率。关键词：磁流变抛光；磨粒团聚；纳米金刚石；熔石英；磨损性能中图分类号：TG580.6 文献标识码：A doi：10.37188/OPE.20233107.1031Effect of nanodiamond abrasive agglomeration ontribological properties of fused silicaCHENG Lei1，2，HE Hongtu1，YE Minheng2，WANG Chao2*，YU Jiaxin1*（1.Key Laboratory of Testing Technology for Manufacturing Process，Ministry of Education，Southwest University of Science and Technology，Mianyang 621010，China；2.Institute of Manufacturing Technology，China Academy of Engineering Physics，Mianyang 621900，China）*Corresponding author，E-mail：；Abstract：To investigate the effect of abrasive agglomeration on the wear behavior of optical glasses during magnetorheological finishing，this study used an environmentally controlled linear reciprocating tribometer to conduct friction and wear experiments of fused silica by rubbing against a stainless steel sphere and adding different degrees of agglomerated nanodiamond polishing solution.Optical microscopy and a white light interferometer were used to characterize the wear mechanism of the fused silica，and the tribological 文章编号 1004-924X（2023）07-1031-12收稿日期：2022-10-25；修订日期：2022-11-18.基金项目：国家自然科学基金资助项目（No.51905506，No.51975492）；中国工程物理研究院超精密加工技术重点实验室基金资助项目（No.ZD17005）第 31 卷光学 精密工程results were compared with those of actual magnetorheological polishing.Experimental results showed that the material removal rate（MRR）and subsurface damage of the fused silica increased with the degree of nanodiamond particle agglomeration.When the load was 0.5 N，the wear mechanism of the fused silica was domihnated by adhesive and abrasive wear，and no dissemble subsurface damage was found beneath the wear track of the fused silica.When the load was increased from 0.5 to 4 N，the wear mechanism of the fused silica was dominated by abrasive wear，and substantial surface and subsurface damage were found.Both the tribological experiments and magnetorheological polishing were conducted with polishing fluids having the same degree of abrasive particle agglomeration，and results showed that the MRR of the fused silica under the two methods was nearly the same.This indicated that the tribological test could be used to predict the MRR in actual magnetorheological polishing to a certain extent.Key words：magnetorheological finishing；abrasive agglomeration；nanodiamond；fused silica；wear properties1 引 言基于优异的光学、机械和热力学性能，熔石英广泛应用于微机电系统和超精密光学系统中，对熔石英的表面和亚表面质量提出了较高的要求1-4。在诸多超精密加工方法中，磁流变抛光技术可在不引入新亚表面缺陷的情况下获得超光滑表面5，因此在熔石英的超精密加工中受到了国内外学者的广泛关注。通常情况下，磁流变抛光所用的磁流变液主要由磁性羰基铁粉、非磁性抛光磨粒和基液等组成6，在磁场的作用下，磁流变液中的羰基铁粉会形成硬化的磁链，将非磁性抛光磨粒和基液挤压出来，在抛光轮的带动下，与工件表面接触产生摩擦抛光的效果7。由于磁流变抛光的本质是抛光液中的纳米磨粒和基液在剪切作用下诱发的材料微观去除8，因此，深入揭示磨料、基液/光学元件界面的材料去除机理，有助于更全面地认识抛光加工过程，并实现对其加工过程的科学指导。为了揭示抛光磨粒对熔石英的材料去除机制，国内外学者通常用单个磨粒来模拟研究抛光磨粒对熔石英表面的材料去除机制。当金刚石探针在熔石英表面进行划痕实验时，随着划痕载荷的增加，熔石英表面的材料损伤机制依次为弹性变形、塑性变形、微裂纹、微断裂和磨粒磨损9。与此同时，熔石英损伤区域的亚表面也会出现一些损伤，如剪切流动、致密化和裂纹等10。当硼硅酸盐玻璃（Pyrex）球在熔石英表面进行磨损实验时，熔石英的材料去除率随着环境湿度的增加而增大，分析认为，这是由于界面的吸附水分子在剪切应力作用下加速了熔石英表面 Si-O-Si网络结构的水解作用11。虽然前期研究为熔石英在抛光过程中的材料去除机制提供了一定的认识，但是在真实的磁流变抛光过程中，不是单个磨粒，而是大量磨粒对熔石英产生了摩擦磨损作用。为了分析磁流变抛光中磨粒对光学元件的作用，Jain 等12提出磁流变抛光中羰基铁粉和磨粒混合物的微观结构，并从施加的磁场中计算出磨粒上的法向力，从而开发了预测材料去除率和表面粗糙度的模型。Sidpara 等13提出了磁流变抛光过程中作用在工件表面应力的理论模型，研究了磨料磨粒的尺寸、浓度及类型对单晶硅材料去除率和表面粗糙度的影响。Xu 等14利用分子动力学模拟建立了羰基铁粉和磨粒间的模型，讨论了磨粒浓度对磁流变抛光的影响，结果表明，较大的磨粒浓度会减小磨粒与工件间接触的概率。尽管前期研究初步揭示了磨粒尺寸、浓度等因素对磁流变抛光中材料去除的影响规律和机理，但这些研究忽略了磨粒在抛光液中的“团聚”行为15。为了提高磁流变抛光的稳定性，通常需要在抛光液中加入电解质和表面活性剂16-18，这些电解质和表面活性剂的加入使得抛光液中磨粒的表面电位发生了变化，诱导小磨粒在静电力和磨粒间范德华力的作用下结合成一个大磨粒，1032第 7 期程磊，等：纳米金刚石磨粒团聚对熔石英摩擦磨损性能的影响从而形成磨粒“团聚”，并且这种团聚现象会随着抛 光 过 程 的 进 行 及 抛 光 参 数 的 改 变 发 生 变化19-20。也就是说，在实际的抛光过程中，磨粒的尺寸并不是恒定的，这势必会影响抛光结果。因此，探明抛光液中磨粒“团聚”现象对熔石英表面磨损行为的影响规律与材料去除机理，有助于指导获得更优异的表面抛光效果，但目前国内外还未见这方面的研究报道。本文借助摩擦磨损试验机，系统地研究了不同团聚程度的磨粒对熔石英表面磨损行为的影响规律，通过光学显微镜、扫描电镜、纳米压痕仪等表征方法深入分析磨粒团聚对熔石英表面材料去除的机理，并结合真实的磁流变抛光实验进行讨论。相关研究结果可为高效率低表面缺陷的熔石英磁流变抛光加工工艺提供理论依据与技术指导。2 实 验2.1实验材料及制备本实验选择尺寸 20 mm20 mm1 mm 的熔石英（中国，中国科学院上海光学精密机械研究所）作为基底材料，用光学轮廓仪（Talysurf，CCI 6000，England）测 量 出 原 始 玻 璃 表 面 在1 m1 m 内的粗糙度 Sa约为 3 nm。为了制备不 同 团 聚 程 度 的 纳 米 金 刚 石（Nano-Diamond，ND）抛光液，将初始粒径为 50 nm 的纳米金刚石（Microdiamant，DP 0-0.05 micron，Germany）加入到不同质量浓度的 NaCl 溶液中（1%，5%和10%），纳米金刚石的质量浓度保持 1%不变，搅拌均匀后用动态光散射仪（Horiba，LB-550，Japan）和扫描电子显微镜（Zeiss，Sigma 300，Japan）对溶液中纳米金刚石磨粒的粒径进行表征，其结果如图 1所示。图 2是利用扫描电子显微镜拍摄的初始纳米金刚石颗粒的图像。可以看出，在 3 种不同溶液中，纳米金刚石磨粒的团聚中位粒径尺寸分别为 360，800 和 2 000 nm（图 1）。这是因为随着 NaCl 的加入，溶液中的离子总浓度增加，纳米金刚石磨粒表面吸附大量的相反电荷离子，从而减少或中和原来磨粒所带电荷，使它们失去了保持稳定的因素。这时由于离子的布朗运动，在相互碰撞时磨粒有团聚的趋势，并且随着溶液中 NaCl