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武汉理工大学学报 32 2010 年 7 月 13 日 DOI：10.3963/j。 发行。 16714431.2010.13.009 光学石英玻璃加工的表面微观结构特征。 湖北工业大学土木工程与建筑学院 武汉 430068 中国建筑材料科学研究院石英与特种玻璃研究所 北京 100024) 光学石英玻璃是光学精密器件的常用材料，其表面加工质量直接决定了光学器件的性能。 借助光学显微镜和原子力显微镜，对光学石英玻璃加工后的表面微观形貌和损伤层厚度进行了研究，探索了表面缺陷和亚表面损伤的形成机理。 结果表明，切片表面损伤最为严重，最大损伤深度接近50； 其次是粗磨面，最大损伤深度接近30； 精磨后表面粗糙度和损伤层厚度大大降低； 有一些划痕和破损点； 精细抛光试样显微镜下未见表面缺陷，损伤层厚度小于1。 关键词损伤层厚度中国图分类号TQ171文献识别码文章编号：16714431（2010）13003404机加工表面显微组织光学石英玻璃 HEXingyang Civil Engineering Architecture, HubeiUniversity Technology, Wuhan430068, ChinaSpecialGlassesInstitute, ChinaBuildingMaterialsAcademy, Beijing100024, China a) 摘要光学石英玻璃典型光学精密器件。 其表面质量是影响光学器件的关键因素。 机加工表面显微照片损伤层厚度光学二氧化硅玻璃原子力显微镜。 同时，分析了表面缺陷亚表面损伤的形成机理。 其次切割表面粗糙的地面。 它们的损坏程度分别达到五十三十微米。 表面粗糙度损伤层厚度精度精度研磨表面明显减少，抛光面粗糙，几乎没有缺陷存在。 精密抛光表面质量其损伤层厚度小于一微米。 另外，虽然surfaceroughnessclassicalpolishinglessthanexistfarlessdefectsCMPsurface关键词opticalsilicaglasssurfacemicrographdamagelayerthickness收稿日期：20100225 基金项目：中国建筑材料科学研究院青年基金项目（YB92） 作者简介：何兴阳（1976），博士。 邮箱：hexingyang@sohu。 com 光学石英玻璃在紫外、可见、近红外光谱区（185500nm）具有优良的透射性能，具有耐高温、抗热震、热膨胀系数极小、化学性能稳定、抗辐射等独特优点反抗。 以恶劣环境下的光学精密器件常用的光学材料制备光学石英玻璃器件，一般需要进行切割、研磨、抛光等加工。

加工工艺直接决定了光学器件的表面和界面性能，而表面质量（如表面缺陷、粗糙度、损伤层厚度等）是决定光学器件性能的关键因素。 因此，研究光学石英玻璃加工的表面微观结构特征，探索表面缺陷和亚表面损伤的形成机理，对于改进加工工艺、提高光学石英器件质量具有一定的理论和实践意义。 采用远紫外光学石英玻璃（JGS1）和红外光学石英玻璃（JGS3），经内圆切片机切割成玻璃片，经平面精密磨床分级研磨，加入不同粒径的Al2O3粒状磨料，然后是经典抛光和化学机械抛光（CMP）两种方式加工成镜面。 其中经典抛光采用摆动抛光机、沥青抛光模具、CeO2抛光粉； CMP采用平面精密抛光机，聚氨酯（粗抛）和无纺布（精抛）抛光模具，碱性抛光液。 借助 Leitz 光学显微镜和原子力显微镜 (AFM) 研究加工表面的微观形貌。 很难定量测量表面损伤层的厚度。 观察、再加工玻璃板的上下表面，通过光学显微镜观察侧面形貌，粗略评价上下表面损伤层的厚度。 加工表面的微观形貌 表面微观形貌是指表面的微观几何特征，也称为表面的拓扑图像，或表面粗糙度的三维状态。 玻璃棒未经任何加工直接折断，表面主要为玻璃脆断过程中形成的扇形条纹。 小颗粒点可能是JGS3玻璃结构。 由于玻璃制备工艺的原因，远紫外光学石英玻璃采用化学气相沉积工艺制备，结构上没有颗粒缺陷，相应的新鲜截面上也没有颗粒点。

由内圆切片机切割的玻璃板的表面形貌如图1（b）所示。 从图中可以看出，表面微观轮廓不平整加工表面粗糙度，破损严重。 由于玻璃是脆性材料，在切片时在切削力的作用下会产生微裂纹，并向玻璃内部扩展。 当切削力超过材料耐受极限时，会产生碎屑并脱离玻璃基板，在玻璃表面留下大量碎屑坑。 切片样品中粒径为10的Al2O3由于磨粒的滚动作用使玻璃表面发生脆性断裂，形成大量断口，但表面不平度远小于切片表面，坑的大小更均匀。 同时实验结果表明，切屑坑的大小与磨料粒度、磨削液性质等因素直接相关。 采用不同粒度的磨料分级磨削，可逐渐降低磨削表面粗糙度。 细磨粒和掺有表面活性剂的弱碱性研磨液精磨后，从图中可以看出表面形貌，精磨表面的凹凸不平度（即粗糙度）大大降低加工表面粗糙度，表面清洁度提高高且易于清洁。 在显微镜下几乎看不到表面污染。 原因：表面活性剂使磨削液具有良好的分散和清洗作用，弱碱性磨削液对防止铸铁磨盘生锈和减少玻璃表面金属离子污染起到一定作用。 粗抛光样品的表面形貌如图 1（e）所示。 表面有少量残留断点和划痕，可能是磨削缺陷没有完全去除造成的：空气中的大颗粒灰尘落在抛光模具上，很容易划伤。 因此，精密抛光对环境条件要求很高。 值得一提的是，CMP抛光样品表面出现划痕或断点的概率远低于经典抛光样品。

从CMP抛光机理分析，石英玻璃的碱性抛光液会发生以下反应，导致表面溶解。 . 此外，在CMP抛光液中加入表面活性剂，可使加工表面光洁易清洁。 经过一系列处理后，样品的表面形貌如图1（f）所示，经典精细抛光和CMP精细抛光的表面在光学显微镜下无法观察到。 区分精细抛光表面的加工质量，需要用其他方法来评价表面粗糙度，其特征是轮廓的算术平均偏差Ra、轮廓的最大高度和微观粗糙度的十点高度Rz。 实验结果表明，抛光粉的粒径大小和抛光模具的材料特性对样品的表面粗糙度有很大的影响。 与精细抛光的样品相比，用稍大的粒径进行抛光会导致更大的表面粗糙度。 CMP粗抛样品的最大表面粗糙度也与使用硬度较大、弹性较小的聚氨酯抛光模具有关。 CMP精抛采用更具弹性的无纺布抛光模具，其原料为高分子棉纤维，与样品表面相贴合，从而获得高度的光滑度。 经典抛光由沥青、松香和蜂蜡制成。 JGS1玻璃表面粗糙度/nm 抛光方式Ra Ry Rz CMP光学模式流动性好，硬度低，弹性高，抛光时与样品表面的贴合度好，是被加工物粗糙度小，光洁度高的主要原因表面。

表面损伤层厚度 作为脆性材料，玻璃加工的表面损伤层通常包括凹凸层和裂纹层。 凹凸层是指表面具有小间距和小峰谷的不平整层，其深度可用轮廓仪或原子力显微镜测量。 裂纹层位于凹凸层之下，其深度难以测量。 用光学显微镜观察样品侧面轮廓，粗略评估表面损伤层的厚度。 结果如图2所示，可以看出切片的表面损伤最为严重(图2(a))，损伤层平均厚度可达13片。 在加工过程中，玻璃表面通常会形成刀痕，并自上而下产生凹凸层、裂纹层和加工应力延伸层。 粗磨造成的损伤也比较严重（图，损伤层平均厚度为10，最大深度接近30。因此，在抛光前使用较细的磨料进行精磨非常重要。可总结如下：在磨盘和重载压力的作用下，磨粒的棱角与试样表面接触，造成玻璃表面应力集中，产生贝壳状裂纹；由于磨粒的移动磨盘与玻璃，带动磨粒滚动，部分玻璃被磨粒尖锐的棱角破坏，刮掉时，部分玻璃产生脆性材料常见的片状解理裂纹；由于磨粒的不断滚动，使玻璃表面不断破碎和交叉，表面碎片在离心力的作用下与玻璃基体分离并与水一起被抛出，形成凹凸层； 部分脱离基体的玻璃产生片状裂纹，形成裂纹层，呈杂乱碎片状交叉重叠。

粗磨再粗抛后的样品（图2（d））磨削损伤层厚度较大，抛光不能完全去除磨削损伤，留下少量较深的表面缺陷。 通常粗抛后，表面凹凸层厚度明显减小，损伤层平均厚度小于5μm。抛光样品的表面损伤厚度通常小于1μm。由于配制的抛光液的成分、抛光模具的表面状态等因素，可以获得损伤层较小的抛光剂。 光学石英玻璃加工过程中，切片造成的表面损伤最为严重，表面微观轮廓不平整，存在大量的断口，最大损伤深度近50Å； 粗磨造成的表面损伤也比较严重，平均损伤厚度接近10Å； 精磨后，表面粗糙度和损伤层厚度大大降低； 粗磨样品表面有少许划痕和断点，显微镜下观察不到表面缺陷。 经典抛光的表面粗糙度小，光滑度优于CMP表面，但CMP表面出现划痕或断点的概率远低于经典抛光。 此外，光学石英玻璃的亚表面微观结构和损伤也需要进一步研究。 参考文献，刘连成． 石英玻璃[M]． 北京：化学工业出版社，2006．高性能石英玻璃的研制[D]． 北京: 北京工业大学, 2004. 石英摆的稳定性研究[D]. 北京：中国建筑材料科学研究院，2005 周永衡． 石英玻璃及原料中羟基的研究[D]． 北京：中国建筑材料科学研究院，2002．玻璃表面及表面处理[M]． 北京：中国建筑工业出版社，1993．原子力显微镜在纳米粗糙度测量中的应用[J]． 光学仪器, 2003, 25(4): 2529. 粗磨、精磨、抛光过程中光学玻璃加工损伤层及加工余量合理匹配的研究[J]. 光学技术，1996（2）：3035