microbik.ru
1
РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ СВЕРХГЛАДКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ КРИСТАЛЛОВ

Ю.В. Пасько, СПбГУ ИТМО тел. 8-904-555-06-12, paskojulyaitmo@mail.ru

Л.А.Губанова, СПбГУ ИТМО тел. (812)314-3882, La7777@mail.ru
В результате проведенных исследований была разработана технология механической полировки сапфира, обеспечивающая минимальную шероховатость и, одновременно, высокие требования по чистоте и точности оптической поверхности.
В оптическом приборостроении используют самые разнообразные кристаллические материалы. Полирование заготовок оптических деталей является завершающей операцией при изготовлении изделий. Известные процессы полирования оптического стекла не могут однозначно применяться для полирования кристаллов из-за их особых физико-механических и физико-химических свойств. Исследования процессов полирования оптических материалов, разрушение поверхности абразивом и жидкостями, изучение строения поверхностных и приповерхностных слоев, проводятся в различных направлениях. Учитывая сложные физико-механические, физико-химические процессы, протекающие на поверхностях при полировании, эти исследования осуществляются обычно по двум основным направлениям.

Первое направление - изучение абразивного разрушения поверхности, т.е. механического разрушения поверхности при воздействии на нее микрочастиц полировального порошка. При этом оценивают, если возможно измеряют, микрорельеф поверхности (шероховатость). Второе направление – изучение физико-химического воздействия абразива, абразивной суспензии, жидких сред (СОЖ) на обрабатываемую поверхность. Физико-химический механизм разрушения поверхности на завершающем этапе полирования представляет интерес не только, как составная часть процесса разрушения поверхности, но и как способ получения поверхности с минимальной шероховатостью. Кроме того, шероховатость полированной поверхности оказывает заметные влияния на эксплуатационные характеристики этих поверхностей, в частности, на физико-механические характеристики бесклеевых контактных соединений.

Применение сапфировых элементов становиться в последние годы все более актуальным, что объясняется рядом уникальных свойств этого материала. Таким сочетанием механических (чрезвычайно высокая прочность), термических (высочайшая термостойкость), оптических (прозрачность от УФ до ИК) свойств не обладает на сегодняшний день ни один другой оптический материал. Сапфир может использоваться для изготовления оптических изделий, работающих в экстремальных условиях, то есть при воздействии высоких температур, давлений, механических нагрузок, агрессивных сред и радиации. Для успешного применения оптических изделий решающее значение имеет качество полированной поверхности. В ряде случаев применение сапфира ограничивается невозможностью или чрезвычайной сложностью получения оптических поверхностей с высокой точностью формы поверхности и минимальной шероховатостью, которые были бы не ниже, чем у других оптических материалах [1].

Ранее применяемая технология полировки сапфира обеспечивала достаточно высокий класс шероховатости (Ra порядка 10А), но не обеспечивала требуемую точность формы оптической поверхности, даже для плоских поверхностей [2]. Изделия, изготовленные по такой технологии, массово применяются в часовой промышленности, в электронике и т.д., но редко пригодны для точных оптических приборов. С другой стороны, оптические предприятия, использующие известные технологии полировки оптических поверхностей путем механической обработки, получают достаточно высокую точность формы, но, в силу ряда технологических причин, не обеспечивают высоких параметров оптической чистоты ( II класс чистоты) и шероховатости (Ra порядка 10А). Главная сложность совмещения механической и химической обработки состоит в том, что применяемые суспензии – травители сапфира, являются одновременно и травителями традиционно применяемых оптиками материалов полировального инструмента.

На этапе предварительной полировки в качестве абразива используются алмазные микропорошки (АСМ 5/3, АСМ 3/2). Уменьшение шероховатости поверхности достигается за счет перехода от более крупного абразива к более мелкому. Инструмент, как и при обработке закреплённым алмазом, также необходимо периодически расшлифовывать, что позволяет регулировать форму поверхности и удалять алмазные зерна, застрявшие в поверхности инструмента. Получение поверхности с заданной чистотой на данном этапе также трудновыполнимо, это связано с тем, что после предварительной полировки практически невозможно судить о наличии грубых царапин, больших точек и матированных участках на поверхности деталей. Это обусловлено тем, что на поверхности детали после предварительной полировки наблюдается так называемый алмазный фон (микроскопические царапины оставляемые алмазными зёрнами в процессе предварительной полировки), который мешает судить о наличии дефектов на поверхности. Единственный способ, который позволяет определить наличие дефектов, - это проведение окончательной полировки. Поэтому именно предварительная полировка определяет качество полученной поверхности, так как именно на этом этапе происходит наибольший съём материала, в тоже время он является одним из самых протяжённых. Длительное время обработки обусловлено твёрдостью материала, а также большой вероятностью получения грубых царапин на поверхности. Предварительная полировка производится на металлическом полировальнике в данном случае на алюминиевом, на зарубежных предприятиях наряду с алюминиевыми используются медные, оловянные и цинковые полировальники. На данном этапе обработки в качестве СОЖ используются часовое масло, подсолнечные и оливковые масла, а также глицерин, этиленгликоль и их смеси.

Окончательная полировка и доводка являются завершающей стадией в процессе обработки и в зависимости от требований к точности формы поверхности и чистоты поверхности, окончательная полировка и доводка могут, как взаимоисключать друг друга, так и дополнять. Целью, достигаемой на этапе окончательной полировки, является сполировывание поверхностного слоя, на котором присутствует алмазный фон. Если требование к форме поверхности не строгие, то этап доводки может быть исключён, это связано с тем, что во время химической полировки из-за неравномерности растворения поверхности происходит отступление от заданной точности поверхности. Предварительная полировка производится на полировальниках из твёрдых сортов пластмасс и органических стёкол. В качестве полирующий химии используется коллоидный раствор кремнезёма с активаторными добавками, ускоряющими процесс полировки. Если кроме чистоты задана и точность поверхности, то завершающей стадией является доводка цвета на смоле. Полировка производится на смоляных полировальниках из смолы №1. В качестве абразива используется мелкодисперсная окись церия зернистостью 0.3мкм (либо мелкодисперсная окись церия зернистостью 0.05мкм). Объектом исследования были сапфировые детали в виде плоско параллельных пластин диаметром 15 мм, толщиной 5 мм.

Аттестация шероховатости производилась с помощью атомно-силового микроскопа NanoEducator (АСМ). АСМ- сканирующий зондовый микроскоп высокого разрешения [3], основанный на взаимодействии зонда кантилевера с поверхностью исследуемого образца. Пространственное разрешение атомно-силового микроскопа зависит от радиуса кривизны кончика зонда. Чувствительность достигает атомарного по вертикали и существенно превышает его по горизонтали. АСМ позволяет получить реальный трёхмерный рельеф поверхности. Кроме того, непроводящая поверхность, рассматриваемая с помощью АСМ, не требует нанесения проводящего металлического покрытия, которое часто приводит к заметной деформации поверхности. В результате сканирования поверхности образцов атомно-силовым микроскопом NanoEducator были получены 2D и 3D профилограммы шероховатостей полированных поверхностей оптических элементов, изготовленных из сапфира, которые показали, что шероховатость поверхности полученных образцов лежит в интервале от 0,7 до 0,9 нм.

Проведенные измерения показали, что при применении механического способа обработки шероховатость уменьшается асимптотически (рис. 1). Проведены статистические оценки величины шероховатости и построены соответствующие графики зависимости.



Рис.1 Зависимость Ra от времени обработки.

Форма поверхности контролировалась на интерферометре OPTOTL-ICO – 60 построенном по схеме Физо с используемым программным обеспечением FastInterf. Полученные интерферограммы поверхностей образцов показали, что величина местной ошибки не превышает 0,15 колец, а общей 1 кольца (рис 2).



Рис.2 Значение местной ошибки при обработке поверхности в течение 480 минут.

Как показали интерферограммы, в процессе механической обработки сохраняется высокая точность формы поверхности, в отличие от химико-механической обработки (рис. 3).



Рис. 3 Зависимость величины местной ошибки от времени обработки.
В результате выполненных исследований, было установлено, что при выборе оптимальных условий технологической обработки сапфира можно получить следующие характеристики оптических поверхностей: Ra=(0,7-0,9нм), величина местной ошибки - 0,15 колец, величина общей ошибки - 1 кольцо.

Литература

  1. Окатов М.А.Справочник технолога-оптика// СПб.: Политехника, 2004. 679с.

  2. Рогов В.В. Физико-химические процессы формирования функциональных поверхностей деталей электронной техники и оптических систем из стекла и сапфира// Сверхтвердые материалы. 2009. № 4. с. 74-83

  3. Суслов А. А., Чижик С. А. Сканирующие зондовые микроскопы// Материалы, Технологии, Инструменты.Т.2 .1997, № 3, С. 78-89.