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导体镶嵌型巨电流变抛光液及其对硅材料的抛光

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表面技术 2023年第5期52卷 218-225页

作者：邱昭晖江波陆坤权沈容熊小敏中山大学物理学院广州510275 中山大学电子与信息工程学院广州510275 中国科学院物理研究所北京100080

目的解决现有电流变抛光液在电场下强度低和使用寿命短等问题。方法分析现有电流变抛光液的缺点及其原因,提出将新型巨电流变液——导体镶嵌型电流变液应用于抛光领域,并研制出以二氧化硅为磨料,以镶嵌了纳米碳的二氧化钛为电介质颗... 详细信息

目的解决现有电流变抛光液在电场下强度低和使用寿命短等问题。方法分析现有电流变抛光液的缺点及其原因,提出将新型巨电流变液——导体镶嵌型电流变液应用于抛光领域,并研制出以二氧化硅为磨料,以镶嵌了纳米碳的二氧化钛为电介质颗粒的硅油基电流变抛光液。测定添加了不同粒径磨料抛光液的剪切强度与电场强度、温度、使用时间的关系。搭建简易的旋转式电流变抛光装置,对不同粒径磨料的电流变抛光液在硅片表面的抛光效果进行试验。结果碳镶嵌二氧化钛基电流变抛光液具有高剪切强度(>30kPa)、低漏电流(抛光实验结果表明,在电压2.5 kV下,硅片经过添加了2μm磨料的电流变抛光液持续抛光3 h后,其表面粗糙度从206nm降至6.4nm。之后再采用添加200nm磨料和20nm磨料的抛光液先后继续精抛后,其粗糙度降至0.46 nm和0.36 nm。结论碳镶嵌二氧化钛基巨电流变抛光液能有效降低表面粗糙度,改善表面质量,很好地应用于精密抛光领域,展示出良好的应用前景。

关键词：导体镶嵌型电流变液剪切强度电流变抛光硅片表面粗糙度

折柔性丙烯酸酯人工晶状体电流变抛光材料去除机理研究

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折柔性丙烯酸酯人工晶状体电流变抛光材料去除机理研究

作者：刘凯璇苏州大学

学位级别：硕士

在生物医学发展过程中,人工晶状体对于眼科疾病的治疗变得越发重要。亲水性丙烯酸酯人工晶状体(P[HEMA-MMA])作为新型丙烯酸酯复合材料受到研究界的广泛关注,人们对于其表面质量的要求也越来越高。本课题的主要任务是为了更好地理解该... 详细信息

在生物医学发展过程中,人工晶状体对于眼科疾病的治疗变得越发重要。亲水性丙烯酸酯人工晶状体(P[HEMA-MMA])作为新型丙烯酸酯复合材料受到研究界的广泛关注,人们对于其表面质量的要求也越来越高。本课题的主要任务是为了更好地理解该聚合物表面加工过程中的接触力学,为今后该人工晶体表面质量的提升和抛光参数的选择提供理论基础。因此,本文采用分子动力学模拟方法研究该材料的力学特性,并利用原子力显微镜对材料进行纳米压痕、划痕测试,揭示了纳米尺度下的力学性能。在实验结果的基础上基于离散介质力学理论方法,研究变形过程中原子尺度的局部结构变化,深入揭示实验中发现的现象。提出了基于温度和电流变效应的新型抛光方法,再通过建立旋转磨粒分子动力学模型验证抛光方案的可行性,分析材料去除机理演化规律。最终进行电流变抛光实验,研究各关键因素对表面粗糙度的影响。本文具体的内容如下:(1)进行材料分子动力学建模及力学性能仿真,拟合势函数最终生成共聚物全原子模型。模拟了材料的玻璃化转变温度以及自由体积,通过刚量矩阵算出材料的弹性模量与泊松比,在此基础上研究了材料不同条件下的应力应变响应,发现该材料具有强烈的温度依赖性与应变速率依赖性。(2)通过原子力显微镜AFM进行纳米压痕试验,研究材料表面的粘附效应,通过不同大小的法向载荷进行载荷位移曲线分析,发现材料纳米硬度具有尺寸效应。对样品进行变载荷纳米划痕实验,研究材料表面形貌以及纳米尺度下的摩擦磨损特性,其摩擦机理会随着法向载荷的变化而发生转变。(3)基于离散介质力学理论方法,研究变形过程中原子尺度的局部结构变化,与实验结果进行比较。从原子层面上解释了实验中的黏着现象与尺度效应,说明了压痕过程中的变形机理。并通过表面形貌分析、摩擦力曲线以及平均动能分布分析材料去除过程中的变形机制。(4)提出基于电流变效应的新型抛光方法,建立了旋转金刚石纳米磨粒的三体接触抛光模型,分析磨粒初始速度、磨粒粒径、磨粒旋转速度以及加工温度四种因素对加工中的材料内部结构变化、材料去除机理以及加工后的表面质量的影响,进行相关性分析,结论表明初始速度与加工温度对材料表面质量存在显著相关性,验证了电流变抛光方案的可行性。(5)依据电流变抛光的特点,进行针对人工晶状体材料的平台搭建与试验规划。通过结合上节相关去除参数,主要探究施加电压、抛光磨料粒度、电流变环形电极工具转速以及加工温度这四种关键因素对工件表面粗糙度的影响,设计了正交试验,并通过极差分析,确定了影响电流变抛光效果的关键因素的顺序,为工艺参数优化提供可靠实验数据。

关键词：柔性材料电流变抛光分子动力学变形机制去除机理

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电流变抛光液中固相粒子间结合模型研究

科学技术与工程 2015年第24期35卷 149-151,172页

作者：赵云伟刘晓敏北华大学工程训练中心吉林132021

电流变抛光液中的固相极化后形成复杂的微观结构并改变其流变性能。通过超景深三维显微系统观察了电流变抛光液在外加电场作用下形成的微观结构。根据粒子介电极化模型和抛光液中固相粒子间的作用力,建立了混有不同粒度磨料颗粒的电流... 详细信息

电流变抛光液中的固相极化后形成复杂的微观结构并改变其流变性能。通过超景深三维显微系统观察了电流变抛光液在外加电场作用下形成的微观结构。根据粒子介电极化模型和抛光液中固相粒子间的作用力,建立了混有不同粒度磨料颗粒的电流变抛光液中固相粒子的结合模型,分析了颗粒粒度和粒子间作用力等因素对粒子结合模型的影响。

关键词：电流变抛光微观结构电场强度

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电流变抛光系统研制及界面作用机理研究

电流变抛光系统研制及界面作用机理研究

作者：薛宇程苏州大学

学位级别：硕士

现今,人们对具有纳米级表面粗糙度和光洁度的平面和曲面零件的需求量急剧增加。随着科技水平的提升,工业中超精密抛光装备以及高精度产品质量的要求也迅速提升。一方面,传统的抛光方法已经难以达到新时代工业的精密要求,尤其是一些航空... 详细信息

现今,人们对具有纳米级表面粗糙度和光洁度的平面和曲面零件的需求量急剧增加。随着科技水平的提升,工业中超精密抛光装备以及高精度产品质量的要求也迅速提升。一方面,传统的抛光方法已经难以达到新时代工业的精密要求,尤其是一些航空元件、光学元件,甚至是人工晶状体等对工件表面的质量要求很高。另一方面,医疗、军工、航天等高端制造领域越来越需要面型复杂的元件,纳米级的抛光要求和复杂的曲面面型让传统的抛光手段束手无策。因此,超精密的抛光方法受到越来越多的关注。电流变抛光作为一种非接触式的新型超精密的超效应抛光方法,其对工件表面的损伤很小,同时也适用于抛光各类面型复杂的曲面工件。在电流变抛光工艺中,施加电压后,电流变抛光液的流变性能和内部微观结构迅速发生改变,电流变液迅速由液体转为固体,其剪切屈服应力和表面粘度明显增大,电流变抛光工具的尖端可以形成用于抛光的柔性工具头。在关闭电源开关后,电流变液迅速恢复原状。本文详细的介绍了电流变抛光液的配置过程,并利用自制的设备验证了电流变液的有效性,分析了相关性能及演变规律。设计并制造了电流变抛光工具系统,搭建了电流变抛光实验平台。根据自制的电流变抛光工具头,对工具头和工件间的电场进行了理论推导和有限元仿真分析验证,得到了电场分布。建立了单磨料和双磨料的分子动力学模型,利用分子动力学的方法分析了材料去除的过程及演化规律。同时探讨了各因素对材料去除的影响,分析并获得了影响材料去除的特性及影响规律。结论表明施加电压是电流变抛光工艺中最重要的影响因素。根据Preston经验方程的要求,对抛光区域内的接触压强和相对线速度分布进行建模,以此基础上沿抛光轨迹积分,综合考虑了进给速度、工具轴转速、电场强度等因素,对电流变抛光工具的材料去除廓形进行理论推导。分别建立了沿直线和曲线的材料去除廓形,并确立了材料最优去除廓形时的工艺参数。最后予以实验验证,该模型具有良好的预测精度。通过实验分析研究了电流变抛光加工正交实验的方法,确定了影响电流变抛光效果的关键因素的顺序。以正交实验结果为依据,对各因素进行了单因素的影响实验,明确了各关键因素对表面粗糙度的影响。

关键词：电流变抛光抛光工具分子动力学材料去除廓形

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电流变抛光实验与理论研究

电流变抛光实验与理论研究

作者：张从领吉林大学

学位级别：硕士

进入二十一世纪,科学技术飞速发展。随着光学通讯技术、医疗技术和图像技术的不断进步,急需大量微型化光学零件。非球面微型光学透镜即是一个典型例子。非球面透镜具有校正像差、改善像质、扩大视场等优点,并可使光学系统分辨率提高、... 详细信息

进入二十一世纪,科学技术飞速发展。随着光学通讯技术、医疗技术和图像技术的不断进步,急需大量微型化光学零件。非球面微型光学透镜即是一个典型例子。非球面透镜具有校正像差、改善像质、扩大视场等优点,并可使光学系统分辨率提高、结构简化、重量减轻。但目前非球面透镜的加工方法是精铸成形,这要求非球面模具表面质量良好;而传统抛光技术很难或不能完成微小非球面模具加工。本文针对这种情况,开展了电流变抛光技术研究。论文首先从电流变效应现象研究开始,设计了一套可宏观观测的电流变效应实验系统装置,通过溢出角测定,半定量给出了电流变液体的性能指标参数。其次开发了电流变抛光实验装置系统,在已有电流变液体中混合一定量微细磨料而构成电流变抛光液,在高压直流电作用下,回转工具端部形成“准柔性磨头”,通过工具电极回转,即可形成对微小区域的抛光加工。通过正交实验和单因素实验,得到影响电流变抛光的主次因素和加工工艺的近似理想值。最后推导了电流变抛光液中微粒间静电作用力和介质电泳作用力的理论公式,给出了面电荷密度的计算依据,通过仿真计算可知影响电流变效应强弱的主要作用力是静电作用力,这为下一步深入研究电流变抛光机理奠定基础。本文研究是吉林省杰出青年科学研究计划项目“电流变抛光微型非球面模具的研究”(合同号:20050121)。

关键词：电流变效应电流变抛光面电荷密度溢出角稳态电压

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电流变抛光硬质合金模具理论与实验研究

电流变抛光硬质合金模具理论与实验研究

作者：赵云伟吉林大学

学位级别：硕士

随着多媒体和数字通讯等新产业的飞速发展,光电子设备元件的尺寸在逐渐减小。人们对高质量的光学元件大量地需求,这促进了对新型光学加工技术及其模具制造技术的研究。传统抛光技术加工非球面光学零件硬质合金模具效率低、成本高。本文... 详细信息

随着多媒体和数字通讯等新产业的飞速发展,光电子设备元件的尺寸在逐渐减小。人们对高质量的光学元件大量地需求,这促进了对新型光学加工技术及其模具制造技术的研究。传统抛光技术加工非球面光学零件硬质合金模具效率低、成本高。本文针对这种情况,研究一种确定性电流变抛光技术用于非球面光学元件的硬质合金模具加工。本文通过研究电流变抛光液中固体颗粒之间的物理和力学模型,建立电流变抛光液中各颗粒间结合的物理模型,研究电流变液体中固相颗粒与磨料颗粒之间的结合状态和抛光液中固体粒子间的作用力。通过电流变抛光液中各颗粒间结合的物理模型,计算得到电流变抛光有效区域,从理论上分析磨料浓度对工件表面粗糙度的复杂影响。以Preston方程为基础建立电流变抛光去除数学模型,研究电流变抛光的去除机理。在自制的实验装置上,对硬质合金模具进行抛光去除实验研究。从实验中测得电流变抛光实际抛光区域,考察电流变工艺参数中抛光液的磨料浓度影响工件表面粗糙度的规律,验证了电流变抛光液中固体颗粒间结合的物理模型和抛光去除模型的正确性。

关键词：电流变抛光抛光有效区域磨料浓度抛光去除模型

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电流变抛光液流变学性能研究与抛光实验

电流变抛光液流变学性能研究与抛光实验

作者：杨卓吉林大学

学位级别：硕士

电流变仪是研究电流变抛光液流变性能的重要设备。本文基于流变仪圆筒式剪切模式的工作原理，针对电流变抛光液的剪切屈服应力及表观粘度的变化范围，设计开发了一种具有较小量程，较高精度的电流变液的流变学性能测试设备。通过计算得... 详细信息

电流变仪是研究电流变抛光液流变性能的重要设备。本文基于流变仪圆筒式剪切模式的工作原理，针对电流变抛光液的剪切屈服应力及表观粘度的变化范围，设计开发了一种具有较小量程，较高精度的电流变液的流变学性能测试设备。通过计算得出了电流变仪器对各个部件的具体参数要求。按照该仪器的参数要求，合理的选择了电机、直线平台、扭矩传感器及扭矩仪表等的种类及型号，完成了最终的组装和调试该仪器。该电流变仪器可以测量电流变抛光液在不同条件下剪切屈服应力及表观粘度的变化。其优秀的性价比，和简单方便的操作对电流变抛光液流变性能的研究有着重要的意义，适合广泛的应用。在电流变抛光技术应用中，电流变抛光液在施加电场后其表观粘度和剪切屈服应力所产生的变化已成为人们关注的重要问题之一。国内外很多学者在针对电流变抛光液表观粘度和抗剪切屈服应力的测量上进行了大量的研究工作。根据不同外界因素对电流变抛光液流变性能的影响，得出在不同情况下电流变抛光液表观粘度及其剪切屈服应力的不同结论。本文对电流变抛光液进行了微观结构观察，使用自行设计的电流变仪对电流变抛光液进行了剪切屈服应力及表观粘度变化的实验，得出了不同磨料，不同粒度，不同浓度的电流变抛光液其剪切屈服应力及表观粘度的变化。对面向不同精度工件电流变抛光所使用的电流变抛光液浓度和粒度的选择，提供了重要的参考依据。电流变抛光是一种新型的抛光技术，通过电流变效应在工具头表面形成一个柔性抛光头，可以对微小复杂曲面进行抛光。本文针对集成工具电极在抛光工作时，形成的柔性抛光头的质量及对工件表面的抛光压力进行研究，得出了实际抛光过程中，不同配方的电流变抛光液在不同间隙、不同电压、不同转速下所形成的柔性抛光头的质量及对工件表面抛光压力的影响。如何获得更好的表面粗糙度是电流变抛光技术的重要问题。本文在自制的五轴联动抛光机床上使用集成工具电极对新型硬脆材料微晶玻璃进行了抛光实验，得出了在抛光微晶玻璃时最适合的磨料配方以及最佳抛光电压、抛光转速、抛光间隙，并完成了对电流变抛光微晶玻璃的工艺参数优化。

关键词：电流变液电流变仪电流变抛光流变性能

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非球面零件电流变抛光实验台开发

非球面零件电流变抛光实验台开发

作者：李峰吉林大学

学位级别：硕士

随着光电子技术的飞速发展,越来越多的非球面透镜被广泛应用于工业、医疗、国防、通讯等领域。传统的超精密抛光技术在加工大型非球面具有较大的优势,但在加工微小非球面时,就不能得到令人满意的表面质量。电流变抛光技术的出现,正好弥... 详细信息

随着光电子技术的飞速发展,越来越多的非球面透镜被广泛应用于工业、医疗、国防、通讯等领域。传统的超精密抛光技术在加工大型非球面具有较大的优势,但在加工微小非球面时,就不能得到令人满意的表面质量。电流变抛光技术的出现,正好弥补了传统抛光方法在加工微小非球面零件中存在的不足。本文结合吉林省杰出青年科学研究计划项目“电流变抛光微型非球面模具的研究”(合同号:20050121),设计了电流变抛光非球面零件专用实验台。根据设计要求,设计了三套实验方案。其中,方案一采用开环控制,结构复杂,价格便宜,但不能够满足实验加工精度;方案二采用闭环控制,结构紧凑,可控性能好,能够满足实验加工精度,但是大部分零部件均为进口件,价格昂贵;方案三采用闭环控制,结构紧凑,具有较高的几何精度和重复精度,能够满足实验加工精度,价格适中。因此选择方案三为最佳方案,并根据方案三来进行实验台的零部件设计。考虑到设计过程中部分零件可能对整个实验台的加工精度有着重要影响,有必要对弹性联轴器及丝杠连接板进行结构静力有限元分析,对平台底板进行振动模态分析,检验零件设计是否合理。通过在ANSYS软件对弹性联轴器及丝杠连接板进行结构静力有限元分析,可以得出弹性联轴器及丝杠连接板在外力作用下的变形量远小于实验加工精度,满足设计要求;对平台底板进行振动模态分析,可以得出平台底板前十阶模态的固有频率远小于伺服电机的固有频率,因此在实验过程中不会出现共振现象。在Pro/E系统中对整个实验台进行虚拟装配,然后对其进行全局干涉检验,检验实验台装配是否有干涉现象,经检验无干涉现象出现,并对整个实验台的误差进行了分析。

关键词：电流变抛光非球面实验台有限元分析虚拟装配

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电流变抛光工艺研究

新技术新工艺 2007年第3期 28-30页

作者：赵云伟张雷张从领贺新升吉林大学机械科学与工程学院吉林长春130025

研究了电流变抛光工艺参数对工件表面粗糙度的影响。用SiC和Al2O3磨料分别对硬质合金和光学玻璃进行了抛光试验,考察了抛光时间、工具电极转速、电源电压、磨料浓度等工艺参数影响工件表面粗糙度的规律。试验结果表明,随着抛光时间、工... 详细信息

研究了电流变抛光工艺参数对工件表面粗糙度的影响。用SiC和Al2O3磨料分别对硬质合金和光学玻璃进行了抛光试验,考察了抛光时间、工具电极转速、电源电压、磨料浓度等工艺参数影响工件表面粗糙度的规律。试验结果表明,随着抛光时间、工具电极转速、电源电压的增加,工件表面粗糙度逐渐降低。随着磨料浓度增加,工件表面粗糙度先降低后升高。对于表面粗糙度而言,磨料浓度存在一个最佳值。

关键词：电流变抛光表面粗糙度工艺参数