论文题目：KDP晶体可控溶解微纳抛光机理与方法研究
摘要：磷酸二氢钾（KDP）晶体凭借其优异的电光特性及非线性光学性能,成为能源和国防等领域高端装备中的关键光学材料,其作用和地位无可替代。然而,KDP晶体具有易潮解、脆性大、硬度低、强各向异性等一系列难加工特性,给其超精密加工带来了极大的挑战,而传统机械加工存在的亚表面损伤,严重制约了其激光损伤阈值这一关键使役性能指标的提升。探索KDP晶体的近无损伤超精密加工新技术,成为国内外专家学者研究的热点之一,而作者所在团队提出的基于KDP晶体水溶解特性的微纳潮解超精密加工新原理具有显著优势,并得到了越来越多学者和工程应用部门的认同与重视。本论文在作者所在团队前期研发的基于微乳液的微纳潮解超精密抛光方法基础上,针对晶体的结晶、溶解和生长的特征及原理,首次提出了晶体逆生长概念,指出:所谓的晶体逆生长,从物质输运角度,具有与生长过程高度相似的有序可控特征,不同于自然状态下的无序随机溶解过程。在此基础上,提出了 KDP晶体可控溶解微纳抛光机理,通过KDP晶体在欠饱和水溶液中可控溶解及抛光垫的机械协同作用,在不引入污染物前提下实现晶体材料的可控微纳去除加工。为证实KDP晶体可控溶解微纳抛光加工的可行性,试验研究了影响可控溶解材料去除的主要因素,给出了 KDP溶液浓度、温度及流动性等参数对KDP晶体可控溶解材料去除效率的影响规律。在上述可行性研究基础上,开展了 KDP晶体可控溶解表面平坦化方法研究,针对KDP晶体毛坯表面的宏观加工纹理实施了可控溶解抛光试验,经过4 min的可控溶解抛光,去除了 KDP晶体表面宽为4.6 mm,深为0.2 mm的宏观沟槽,沟槽深度减小的平均速率达52.5 μm/min。在此基础上,提出了 KDP晶体可控溶解表面平坦化机理:抛光前,位于静态抛光液中的KDP晶体表面被高浓度溶液层覆盖,可控溶解受到束缚,因此材料去除率较小;抛光过程中,KDP晶体表面微观轮廓凸峰暴露在高速流动的抛光液中,其附近的高浓度溶液层消失,致使该处晶体材料的可控溶解速率大幅提高,并在抛光垫协助下得以快速去除;相比之下,晶体表面微观轮廓凹谷所处环境闭塞,显著降低了抛光液的流动性及抛光垫的机械作用,使得凹谷附近的高浓度溶液层得以保留,因此凹谷处晶体材料的去除速率远低于凸峰,导致峰谷间距离减小,进而实现表面平坦化。为实现该原理,开展了表面平坦化试验,通过1 min的可控溶解抛光,即可实现具有微观纹理和脆性损伤的KDP晶体表面平坦化,加工后的晶体表面粗糙度rms由605.5 nm迅速减小至23.9 nm,减幅达96%;以上抛光试验结果证实了可控溶解微纳抛光方法对于不同尺度的KDP晶体表面加工形貌具有良好的平坦化效果。通过进一步的试验分析,确认了可控溶解抛光材料去除机制,揭示了抛光垫对可控溶解表面平坦化的协同作用。为阐明工艺条件和工艺参数对KDP晶体可控溶解抛光效果的影响,开展了可控溶解抛光工艺试验研究,以KDP晶体表面质量和抛光工艺稳定性为判别准则,通过对比试验不同类型抛光垫,确定了 IC1000型抛光垫最适于可控溶解抛光,试验确认了相同工艺条件下不同晶面的抛光效果相近,表面粗糙度rms和材料去除率的差异分别不大于6.1%和7.2%。在此基础上,研究了可控溶解抛光液的浓度和温度对抛光效果的影响,给出了抛光时间、抛光压力、抛光盘转速等抛光加工参数对KDP晶体表面粗糙度和材料去除率的影响规律;进而提出了一种基于浓度调控策略的可控溶解抛光工艺,通过2 min的可控溶解抛光加工,KDP晶体表面粗糙度rms从5702.4 nm迅速减小至17.1 nm,面形误差由49.8 μm减小至4.9μm,材料去除率平均高达51.7μm/min,由此证实了可控溶解抛光是一种效率极高的可控微纳去除加工方法。此外,为改善可控溶解抛光工艺的稳定性与经济性,开展了抛光液性能表征与使用寿命研究,揭示了所研制的可控溶解抛光液易于再生。为进一步提高可控溶解抛光后的KDP晶体表面质量,以期获得纳米级粗糙度的晶体表面,提出了基于超声雾化水膜的KDP晶体可控溶解超精密抛光新方法,即利用超声雾化技术和抛光垫的剐蹭作用在晶体表面制造出水膜,通过改变微水雾供给速率调节水膜的厚度,进而间接控制其转变成的KDP液膜的浓度,触发晶体可控溶解,并在抛光垫的机械作用下实现表面平坦化超精密加工。研制了微水雾抛光加工试验装置。为验证该方法的可行性,开展了基于超声雾化水膜的可控溶解表面平坦化研究。通过试验和分析,给出了基于超声雾化水膜的可控溶解抛光参数对KDP晶体抛光效果影响的规律,制定了基于超声雾化水膜的可控溶解超精密抛光复合工艺,通过对上述可控溶解微纳抛光方法获得的KDP晶体表面进一步采用基于超声雾化水膜的可控溶解超精密抛光加工,表面粗糙度rms能够在7 min内减小70.2%,最终达到5.3 nm,材料去除率平均可达1.2μm/min,实现了 KDP晶体的高质高效超精密加工。可以预见,可控溶解微纳抛光方法与基于超声雾化水膜的可控溶解超精密抛光方法的综合应用,将会是一种适合诸如KDP等水溶性晶体的无机械损伤、无表面污染的高效精密加工新技术,研究成果对于丰富和发展超精密加工理论和技术具有重要的学术价值和工程应用前景。
关键词：KDP晶体;可控溶解抛光;微水雾;表面粗糙度;材料去除率
学科专业：机械制造及其自动化
摘要
ABSTRACT
主要符号表
1 绪论
1.1 研究的目的与意义
1.1.1 KDP晶体的基本性质
1.1.2 KDP晶体的水溶解特性
1.1.3 KDP晶体的应用
1.1.4 KDP晶体使役性能要求及超精密加工面临的挑战
1.2 KDP晶体精密和超精密机械加工技术的研究现状概述
1.2.1 晶锭切割技术
1.2.2 单点金刚石切削技术
1.2.3 超精密磨削技术
1.3 KDP晶体超精密特种加工技术的研究现状概述
1.3.1 磁流变抛光技术
1.3.2 离子束抛光技术
1.3.3 基于微乳液的微纳潮解超精密抛光技术
1.4 本文的主要研究内容
2 KDP晶体可控溶解微纳抛光机理
2.1 引言
2.2 KDP晶体可控溶解的概念
2.2.1 晶体的结晶与溶解
2.2.2 晶体的生长与逆生长
2.2.3 KDP晶体可控溶解加工方法的提出
2.3 KDP晶体可控溶解微纳抛光机理的提出
2.3.1 KDP晶体材料可控去除机理
2.3.2 实现材料可控去除加工的装置
2.4 可控溶解环境对材料去除效率的影响
2.4.1 测试条件及参数设定
2.4.2 KDP溶液浓度对可控溶解材料去除效率的影响
2.4.3 KDP溶液温度对可控溶解材料去除效率的影响
2.4.4 环境相对湿度对可控溶解材料去除效率的影响
2.4.5 KDP溶液流动性对可控溶解材料去除效率的影响
2.5 本章小结
3 KDP晶体可控溶解表面平坦化方法
3.1 引言
3.2 KDP晶体毛坯表面的特性分析
3.3 KDP晶体毛坯表面宏观加工纹理的可控溶解抛光试验
3.4 可控溶解表面平坦化机理
3.4.1 KDP晶体表面微观形貌的平坦化模型
3.4.2 表面微观形貌的平坦化验证试验
3.5 可控溶解中抛光垫对表面平坦化过程的协同作用
3.6 本章小结
4 工艺条件和工艺参数对KDP晶体可控溶解抛光效果的影响
4.1 引言
4.2 试验条件和参数设定
4.3 抛光垫对KDP晶体可控溶解抛光效果的影响
4.4 不同晶面的可控溶解抛光效果
4.5 工艺参数对KDP晶体可控溶解抛光效果的影响
4.5.1 可控溶解抛光液对晶体抛光效果的影响
4.5.2 抛光加工参数对表面形貌及材料去除率的影响
4.5.3 KDP晶体可控溶解抛光后的面形误差
4.5.4 基于浓度调控策略的可控溶解抛光工艺初探
4.6 可控溶解抛光液的性能表征及使用寿命研究
4.6.1 可控溶解抛光液的性能表征
4.6.2 可控溶解抛光液的使用寿命研究
4.7 本章小结
5 基于超声雾化水膜的KDP晶体可控溶解超精密抛光方法研究
5.1 引言
5.2 基于超声雾化水膜的KDP晶体可控溶解超精密抛光方法的提出
5.3 微水雾抛光加工试验装置的研制
5.4 基于超声雾化水膜的可控溶解超精密抛光方法的可行性研究
5.4.1 基于超声雾化水膜的可控溶解表面平坦化试验
5.4.2 相对湿度对基于超声雾化水膜的可控溶解表面平坦化的影响
5.5 基于超声雾化水膜的可控溶解抛光参数对KDP晶体抛光效果的影响
5.5.1 试验方法及参数选择
5.5.2 抛光垫对抛光效果的影响
5.5.3 抛光加工参数对抛光效果的影响
5.6 本章小结
6 结论与展望
6.1 结论
6.2 创新点
6.3 展望
参考文献
致谢