浴法抛光中抛光粉粒径对去除效果影响的试验研究学术报告
作者与发表信息
本研究由张杨（四川大学电子信息学院）、徐清兰（中国科学院光电技术研究所）、陈梅与张蓉竹（四川大学电子信息学院）合作完成，发表于《光学技术》（Optical Technique）2014年第40卷第6期（2014年11月）。
学术背景
本研究属于超精密光学加工领域，聚焦于浴法抛光（bowl-feed polishing, BFP）工艺中抛光粉粒径对材料去除效果的影响。随着精密光学元件在激光陀螺、高能激光反射镜等领域的应用，对表面粗糙度（surface roughness）的要求日益提高（如亚纳米级）。传统抛光方法难以满足需求，而浴法抛光因其热稳定性高、环境控制优等特点，成为超光滑表面加工的重要方法。然而，抛光粉的粒径及其均匀性对表面质量的影响机制尚未充分量化，本研究旨在通过系统性实验揭示粒径与表面粗糙度、去除速率（removal rate）的关联性，为工艺优化提供理论依据。
研究流程与方法
实验设计
- 研究对象：K9玻璃基片（初始粗糙度RMS=1.227 nm），氧化铈（CeO₂）抛光粉（粒径范围1.2–15 μm）。
- 对比实验：
- 抛光方式对比：胶盘抛光（古典抛光）与浴法抛光，验证后者在相同粒径下的表面质量优势。
- 粒径影响实验：选用1.2 μm、1.6 μm、2.0 μm、10.2 μm、12 μm、15 μm六种单一粒径抛光粉，固定工艺参数（转速16 r/min、抛光液浓度1%、pH 7.8、时间1.5 h）。
- 均匀性实验：将1.2 μm与1.6 μm、1.6 μm与2.0 μm按不同质量比（3:1、1:1）混合，分析粒度分布（particle size distribution）对粗糙度的影响。
关键设备与测试方法
- 抛光设备：四轴抛光机，浴法抛光装置（含沥青抛光盘、恒温抛光液浴池）。
- 检测手段：
- 表面粗糙度：光学轮廓仪（RMS值）。
- 去除量：电子天平（精度1 mg）称重，通过密度换算为厚度去除率（式δₕ=δₘ/(πr²ρ)）。
- 粒度分析：中国科学院分析测试中心激光粒度仪。
理论模型支持
基于弹性力学建立磨料-工件接触模型（图1），推导出粗糙度（RMS）与磨料粒径（r）、压痕深度（d）、磨料变形量（δ）的关系（式2）。理论预测：粒径越小，粗糙度越低，但需结合均匀性验证实际效果。
主要结果
抛光方式对比
- 浴法抛光的表面粗糙度显著低于胶盘抛光（如1.2 μm抛光粉下，浴法RMS=0.194 nm vs. 胶盘0.339 nm）。归因于液体环境的热扩散效应和接触柔顺性。
粒径单因素影响
- 小粒径组（1.2–2.0 μm）：粒径增大，粗糙度递增（1.2 μm:0.194 nm → 2.0 μm:0.289 nm），去除量先升后降（峰值1.6 μm:9.59 nm/min）。
- 大粒径组（10.2–15 μm）：粗糙度波动（10.2 μm:0.195 nm → 15 μm:0.190 nm），去除量普遍低于小粒径组，印证“单位面积颗粒数减少”假设。
均匀性影响
- 1.2 μm与1.6 μm混合：质量比1:1时，粗糙度最低（0.192 nm），优于单一1.2 μm（0.194 nm）。粒度分布显示，其峰值附近体积浓度更均衡（6.07–6.72% vs. 单一1.2 μm的6.33–7.70%）。
- 1.6 μm与2.0 μm混合：质量比1:1同样表现最优（RMS=0.188 nm），验证“均匀性优先于单一粒径”的结论。
结论与价值
科学价值
- 量化了抛光粉粒径与表面粗糙度的非线性关系，提出“粒径均匀性比单一小粒径更关键”的新观点。
- 修正了传统理论中仅关注平均粒径的局限性，强调粒度分布峰值区域体积浓度的调控意义。
应用价值
- 为超光滑光学元件加工提供工艺优化路径：优先选择粒径分布集中（如跨度 μm）且峰值区域体积占比接近的抛光粉。
- 浴法抛光参数库的扩充：明确1.2–2.0 μm粒径范围更适合高精度抛光，而混合比例优化可进一步提升效率。
研究亮点
- 创新性发现：首次揭示抛光粉粒度分布的“峰值均匀性”对表面粗糙度的主导作用，突破粒径越小越好的传统认知。
- 方法学贡献：结合弹性力学模型与多变量实验设计，建立粒径-粗糙度-去除速率的定量关联框架。
- 工程指导性：提出的混合粒径方案可直接应用于产业，如高功率激光玻璃抛光工艺的升级。
其他有价值内容
- 实验中发现大粒径组（>10 μm）的粗糙度反常降低现象，作者推测可能与磨料滚动效应有关，建议后续研究结合摩擦学理论深入分析。
- 文中未提及抛光液流变特性对结果的影响，未来可纳入粘度、剪切速率等参数以完善模型。
（注：全文术语均按原文表述，如“浴法抛光（bowl-feed polishing）”“均方根粗糙度（RMS）”等。）