論文題目：KDP晶體可控溶解微納拋光機理與方法研究
摘要：磷酸二氫鉀（KDP）晶體憑借其優異的電光特性及非線性光學性能,成為能源和國防等領域高端裝備中的關鍵光學材料,其作用和地位無可替代。然而,KDP晶體具有易潮解、脆性大、硬度低、強各向異性等一系列難加工特性,給其超精密加工帶來了極大的挑戰,而傳統機械加工存在的亞表面損傷,嚴重制約了其激光損傷閾值這一關鍵使役性能指標的提升。探索KDP晶體的近無損傷超精密加工新技術,成為國內外專家學者研究的熱點之一,而作者所在團隊提出的基于KDP晶體水溶解特性的微納潮解超精密加工新原理具有顯著優勢,并得到了越來越多學者和工程應用部門的認同與重視。本論文在作者所在團隊前期研發的基于微乳液的微納潮解超精密拋光方法基礎上,針對晶體的結晶、溶解和生長的特征及原理,首次提出了晶體逆生長概念,指出:所謂的晶體逆生長,從物質輸運角度,具有與生長過程高度相似的有序可控特征,不同于自然狀態下的無序隨機溶解過程。在此基礎上,提出了 KDP晶體可控溶解微納拋光機理,通過KDP晶體在欠飽和水溶液中可控溶解及拋光墊的機械協同作用,在不引入污染物前提下實現晶體材料的可控微納去除加工。為證實KDP晶體可控溶解微納拋光加工的可行性,試驗研究了影響可控溶解材料去除的主要因素,給出了 KDP溶液濃度、溫度及流動性等參數對KDP晶體可控溶解材料去除效率的影響規律。在上述可行性研究基礎上,開展了 KDP晶體可控溶解表面平坦化方法研究,針對KDP晶體毛坯表面的宏觀加工紋理實施了可控溶解拋光試驗,經過4 min的可控溶解拋光,去除了 KDP晶體表面寬為4.6 mm,深為0.2 mm的宏觀溝槽,溝槽深度減小的平均速率達52.5 μm/min。在此基礎上,提出了 KDP晶體可控溶解表面平坦化機理:拋光前,位于靜態拋光液中的KDP晶體表面被高濃度溶液層覆蓋,可控溶解受到束縛,因此材料去除率較小;拋光過程中,KDP晶體表面微觀輪廓凸峰暴露在高速流動的拋光液中,其附近的高濃度溶液層消失,致使該處晶體材料的可控溶解速率大幅提高,并在拋光墊協助下得以快速去除;相比之下,晶體表面微觀輪廓凹谷所處環境閉塞,顯著降低了拋光液的流動性及拋光墊的機械作用,使得凹谷附近的高濃度溶液層得以保留,因此凹谷處晶體材料的去除速率遠低于凸峰,導致峰谷間距離減小,進而實現表面平坦化。為實現該原理,開展了表面平坦化試驗,通過1 min的可控溶解拋光,即可實現具有微觀紋理和脆性損傷的KDP晶體表面平坦化,加工后的晶體表面粗糙度rms由605.5 nm迅速減小至23.9 nm,減幅達96%;以上拋光試驗結果證實了可控溶解微納拋光方法對于不同尺度的KDP晶體表面加工形貌具有良好的平坦化效果。通過進一步的試驗分析,確認了可控溶解拋光材料去除機制,揭示了拋光墊對可控溶解表面平坦化的協同作用。為闡明工藝條件和工藝參數對KDP晶體可控溶解拋光效果的影響,開展了可控溶解拋光工藝試驗研究,以KDP晶體表面質量和拋光工藝穩定性為判別準則,通過對比試驗不同類型拋光墊,確定了 IC1000型拋光墊最適于可控溶解拋光,試驗確認了相同工藝條件下不同晶面的拋光效果相近,表面粗糙度rms和材料去除率的差異分別不大于6.1%和7.2%。在此基礎上,研究了可控溶解拋光液的濃度和溫度對拋光效果的影響,給出了拋光時間、拋光壓力、拋光盤轉速等拋光加工參數對KDP晶體表面粗糙度和材料去除率的影響規律;進而提出了一種基于濃度調控策略的可控溶解拋光工藝,通過2 min的可控溶解拋光加工,KDP晶體表面粗糙度rms從5702.4 nm迅速減小至17.1 nm,面形誤差由49.8 μm減小至4.9μm,材料去除率平均高達51.7μm/min,由此證實了可控溶解拋光是一種效率極高的可控微納去除加工方法。此外,為改善可控溶解拋光工藝的穩定性與經濟性,開展了拋光液性能表征與使用壽命研究,揭示了所研制的可控溶解拋光液易于再生。為進一步提高可控溶解拋光后的KDP晶體表面質量,以期獲得納米級粗糙度的晶體表面,提出了基于超聲霧化水膜的KDP晶體可控溶解超精密拋光新方法,即利用超聲霧化技術和拋光墊的剮蹭作用在晶體表面制造出水膜,通過改變微水霧供給速率調節水膜的厚度,進而間接控制其轉變成的KDP液膜的濃度,觸發晶體可控溶解,并在拋光墊的機械作用下實現表面平坦化超精密加工。研制了微水霧拋光加工試驗裝置。為驗證該方法的可行性,開展了基于超聲霧化水膜的可控溶解表面平坦化研究。通過試驗和分析,給出了基于超聲霧化水膜的可控溶解拋光參數對KDP晶體拋光效果影響的規律,制定了基于超聲霧化水膜的可控溶解超精密拋光復合工藝,通過對上述可控溶解微納拋光方法獲得的KDP晶體表面進一步采用基于超聲霧化水膜的可控溶解超精密拋光加工,表面粗糙度rms能夠在7 min內減小70.2%,最終達到5.3 nm,材料去除率平均可達1.2μm/min,實現了 KDP晶體的高質高效超精密加工?？梢灶A見,可控溶解微納拋光方法與基于超聲霧化水膜的可控溶解超精密拋光方法的綜合應用,將會是一種適合諸如KDP等水溶性晶體的無機械損傷、無表面污染的高效精密加工新技術,研究成果對于豐富和發展超精密加工理論和技術具有重要的學術價值和工程應用前景。
關鍵詞：KDP晶體;可控溶解拋光;微水霧;表面粗糙度;材料去除率
學科專業：機械制造及其自動化
摘要
ABSTRACT
主要符號表
1 緒論
1.1 研究的目的與意義
1.1.1 KDP晶體的基本性質
1.1.2 KDP晶體的水溶解特性
1.1.3 KDP晶體的應用
1.1.4 KDP晶體使役性能要求及超精密加工面臨的挑戰
1.2 KDP晶體精密和超精密機械加工技術的研究現狀概述
1.2.1 晶錠切割技術
1.2.2 單點金剛石切削技術
1.2.3 超精密磨削技術
1.3 KDP晶體超精密特種加工技術的研究現狀概述
1.3.1 磁流變拋光技術
1.3.2 離子束拋光技術
1.3.3 基于微乳液的微納潮解超精密拋光技術
1.4 本文的主要研究內容
2 KDP晶體可控溶解微納拋光機理
2.1 引言
2.2 KDP晶體可控溶解的概念
2.2.1 晶體的結晶與溶解
2.2.2 晶體的生長與逆生長
2.2.3 KDP晶體可控溶解加工方法的提出
2.3 KDP晶體可控溶解微納拋光機理的提出
2.3.1 KDP晶體材料可控去除機理
2.3.2 實現材料可控去除加工的裝置
2.4 可控溶解環境對材料去除效率的影響
2.4.1 測試條件及參數設定
2.4.2 KDP溶液濃度對可控溶解材料去除效率的影響
2.4.3 KDP溶液溫度對可控溶解材料去除效率的影響
2.4.4 環境相對濕度對可控溶解材料去除效率的影響
2.4.5 KDP溶液流動性對可控溶解材料去除效率的影響
2.5 本章小結
3 KDP晶體可控溶解表面平坦化方法
3.1 引言
3.2 KDP晶體毛坯表面的特性分析
3.3 KDP晶體毛坯表面宏觀加工紋理的可控溶解拋光試驗
3.4 可控溶解表面平坦化機理
3.4.1 KDP晶體表面微觀形貌的平坦化模型
3.4.2 表面微觀形貌的平坦化驗證試驗
3.5 可控溶解中拋光墊對表面平坦化過程的協同作用
3.6 本章小結
4 工藝條件和工藝參數對KDP晶體可控溶解拋光效果的影響
4.1 引言
4.2 試驗條件和參數設定
4.3 拋光墊對KDP晶體可控溶解拋光效果的影響
4.4 不同晶面的可控溶解拋光效果
4.5 工藝參數對KDP晶體可控溶解拋光效果的影響
4.5.1 可控溶解拋光液對晶體拋光效果的影響
4.5.2 拋光加工參數對表面形貌及材料去除率的影響
4.5.3 KDP晶體可控溶解拋光后的面形誤差
4.5.4 基于濃度調控策略的可控溶解拋光工藝初探
4.6 可控溶解拋光液的性能表征及使用壽命研究
4.6.1 可控溶解拋光液的性能表征
4.6.2 可控溶解拋光液的使用壽命研究
4.7 本章小結
5 基于超聲霧化水膜的KDP晶體可控溶解超精密拋光方法研究
5.1 引言
5.2 基于超聲霧化水膜的KDP晶體可控溶解超精密拋光方法的提出
5.3 微水霧拋光加工試驗裝置的研制
5.4 基于超聲霧化水膜的可控溶解超精密拋光方法的可行性研究
5.4.1 基于超聲霧化水膜的可控溶解表面平坦化試驗
5.4.2 相對濕度對基于超聲霧化水膜的可控溶解表面平坦化的影響
5.5 基于超聲霧化水膜的可控溶解拋光參數對KDP晶體拋光效果的影響
5.5.1 試驗方法及參數選擇
5.5.2 拋光墊對拋光效果的影響
5.5.3 拋光加工參數對拋光效果的影響
5.6 本章小結
6 結論與展望
6.1 結論
6.2 創新點
6.3 展望
參考文獻
致謝