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1、化学式 晶格常数 魡 密度/g mm-3 莫式硬度 泊松比 杨氏模量/GPa 剪弹性模量/GPa 极限应力/GPa 比热/W s （g K ） -1 热导系数/W （m K ） -1 熔点/ Al2O3 a=4.748 c=12.97 3.9810-3 9 0.25 345 145 448 0.418 41.9 2040 蓝宝石基片的超光滑表面抛光技术 朱从容 1， 任尹飞2 （1.浙江海洋学院 机电工程学院， 浙江 舟山 316004； 2.弘生集团有限公司， 浙江 舟山 316000 ） 蓝宝石单晶的主要 特性如表 1 所示。 因为其 具有优良的机械、 光学及 化学性质， 如： 高硬度、
2、高 透光率、良好的热传导 性、 耐磨耗及耐腐蚀能力 强等特性。已被广泛地 应用于光学元件及光电 元件基片的使用上， 因 此， 其表面完整性的要求 很高。然其表面质量的 优劣却关系着其附加价值的高低，因此抛光加工为其最 重要的制程，然而传统的机械抛光经常造成工件的表面 或次表面损伤， 因此浴法抛光、 Teflon 法抛光、 浮法抛光、 机械化学抛光、化学机械抛光和水合抛光等各种不同的 抛光技术相继被提出。R.Dietz 在传统抛光设备和方法的 基础上， 提出了浴法抛光1（Bowl Feed Technique） ， 改变 了抛光液的供给方式， 采用浸液抛光， 使沥青抛光盘和工 件的接触更柔和，
3、在熔石英上获得了粗糙度为 0.3nm的超 光滑表面。 在浴法抛光的基础上， A.J.Leistner2，3等人采用 聚四氟乙烯（Teflon ） 抛光盘抛光，与沥青抛光盘相比， Teflon 抛光盘具有抗老化、 耐磨损、 可长时间保持面形等 优点。Teflon 法抛光可以在许多材料上加工出粗糙度小 于 0.4nm 的超光滑表面，同时还可以有效地降低材料表 面的波纹度和亚表面损伤。浴法抛光和 Teflon 法抛光目 前主要应用于平面光学元件的抛光加工。本文主要介绍 浮法抛光、 机械化学抛光、 化学机械抛光和水合抛光技术 的加工原理及其在蓝宝石基片超光滑加工中的应用研 究。 1浮法抛光 日本的 Y
4、.Namba 等4技术人员为了加工抛光磁头材 料， 提出了浮法抛光 （Float polishing ） 工艺。其原理如图 1 所示。 该工艺使 用高平面度平 面并带有同心 圆或螺旋沟槽 的锡抛光盘， 将 抛光液覆盖在 整个抛光盘表 面上， 使抛光盘 及工件高速旋 转， 在两者之间 抛光液呈动压液体状态， 并形成一层液膜， 再利用液膜里 的磨料高速冲击工件表面， 从而实现材料的去除。 浮法抛 光对周围环境 （净化、 温度、 湿度） 有严格要求， 实现浮动 抛光的关键是超精密抛光盘的制作。锡盘先用钢刀车出 2mm 的螺线或同心圆，再用高精度的金刚石车床车出更 精细的螺线， 进给速度约 0.3mm
5、/r。该工艺可获得表面粗 糙度小于 0.1nm， 平面度小于 /20 的超光滑表面。Namba 等4利用浮法抛光法加工蓝宝石 （001 ） 面， 其表面粗糙度 可达到 Rz0.08nm。 2机械化学抛光和化学机械抛光 日本东海大学安永畅男5教授在 1978 年提出机械化 学抛光 （Mechanical Chemical Polishing； MCP ） ， 使用不锈 钢环 （Fe2O3） 与蓝宝石基片 （Al2O3） 进行抛光加工实验， 结 果发现不锈钢与蓝宝石基片在抛光的过程中会产生结构 摘要：文中介绍了蓝宝石基片的主要抛光方法,包括浮法抛光、 机械化学抛光、 化学机械抛光和水合抛光等， 对
6、它们的 工作原理、 特点作了分析和总结。 关键词：蓝宝石；超光滑表面；抛光 中图分类号： TG74文献标识码： A文章编号： 10022333 （2009 ） 11001603 Ultra-Smooth Surface Polishing Techniques of Sapphire Substrates ZHU Cong-rong1,REN Yin-fei2 （1.College of Mechanical Engineering, Zhejiang Ocean University, Zhoushan 316004, China; 2.Hisun Group Co.,Ltd., Zhous
7、han 316000, China） Abstract：The main polishing technique of sapphire substrates is present in this paper, including float polishing, mechanical chemical polishing, chemical mechanical polishing, hydration polishing and so on. And their polishing mechanism and characteristics were analyzed. Key words
8、：sapphire; ultra-smooth surface; polishing 表 1蓝宝石单晶的主要特性 2 1 3456 7 8 60200r/min 图 1浮法抛光装置示意图 1.抛光液2.抛光液槽3.工件4.工件夹 5.抛光盘6.金刚石刀具的切削面7.沟槽 8.液膜 ACADEMIC COMMUNICATION 学术交流 理论 / 研发 / 设计 / 制造 机械工程师2009 年第 11 期16 松软的固相化学反应层（Solid Phase Chemical Reaction Layer ） ， 而此反应层是由机械力作用将之去除， 在实验后 发现基片表面具有 镜面光泽， 而且没有
9、 发现次表面损伤的 现象。 机械化学抛光 原理如图 2、 3 所示。 机械化学抛光 加工技术主要是以 软磨料 （磨料硬度比 工件低 ） 与工件表面 在加工过程中相互 摩擦产生热量， 产生 的热量提供工件接 触表面产生固相化 学反应层 （或简称钝 化层 ） ，而钝化层成 分来自于磨料及工件， 因此材料特性与工件已经不同， 而 且硬度比磨料低， 最后由磨料或是抛光垫将反应层去除。 加工表面不残留反应生成物， 加工表面变质层小。 目前化学机械抛光 （Chemical Mechanical Polishing； CMP ） 加工技术广泛应用在硬脆基板加工制造方面， 例如 硅晶圆平坦化加工上，材料移除机
10、制与机械化学抛光类 似，在抛光的过程中抛光液中的化学物质成分使基材表 面产生钝化层， 再经由磨料除去钝化层， 但是磨料硬度大 于工件， 在抛光过程中仍有可能对工件产生次表面破坏， 而且抛光过后的化学废液处理相当麻烦，若是处理不善 对于人或是环境都会产生相当程度的损失，表 1 说明了 机械化学抛光与化学机械抛光技术的差异。 机械化学抛光有干式机械化学抛光 （DMCP ） 、 湿式机 械化学抛光 （WMCP ） ， 两者最主要的差异是湿式机械化 学抛光过程中，抛光液将抛光过程中因摩擦作用产生的 热带走， 降低磨料与工件之间的固相化学反应速率， 且湿 式机械化学抛光中磨料易受到液动压影响，使得磨料无
11、 法顺利进入工件表面，降低磨料与工件产生固相化学反 应几率， 进而降低材料去除率。 在干式机械化学抛光中不 加任何抛光液， 抛光时工作能量不会让抛光液带走， 所以 DMCP 的固相化学反应速率与材料去除率较 WMCP 佳。 DMCP 与 WMCP 的比较如表 2 所示。 国内袁巨龙6等研究讨论了抛光过程中化学机械抛 光的必备条件， 并提出了相应的抛光机理， 得出蓝宝石加 工过程中， 蓝宝石与磨料以高速接触擦过的界面接触点， 即使是极短的时间， 也能发生固相化学反应， 生成数量级 厚度的反应层， 且与母体的结合力很低， 极易用机械力去 除。王娟7等对蓝宝石衬底片进行了化学机械抛光加工， 确定了抛
12、光的适宜的温度及 pH 值条件为:T=30， pH 值 在 913 之间， 并且在抛光时应加入适量添加剂， 可获得 较为理想的表面状态和较高的去除速率。并得出采用大 粒径、高浓度的抛光液可以获得较好的表面粗糙度和较 高的材料去除率。 3水合抛光 水合抛光8（Hydration Polishing） ， 是一种利用在工 件界面上产生水合反应现象，用抛光盘的摩擦力去除工 件表面上形成的水合层进行加工的高效、超精密抛光方 法。 其主要特点是不使用磨粒和加工液， 加工装置与普通 抛光机相同。 所不同的是在水蒸气环境中进行加工。 选用 的抛光盘材料必须不与工件产生固相反应。水合抛光的 去除量只有数 魡数
13、十 魡， 所以可获得无划痕、 平滑、 晶格 无畸变的洁净表面。 在抛光过程 中，工件与抛光 盘 产 生 相 对 摩 擦，在局部真实 接触点产生高温 高压，使工件表 面上的原子或分 子呈活性化， 同 时利用过热水蒸 气分子和水作用 其表面，使之在界面上形成水合层。再借助过热水蒸气 （或一个大气压的水蒸气） 氛围中， 利用抛光盘的摩擦力 去除工件表面的水合层， 从而实现镜面加工。水合抛光装 置如图 4 所示。 使用杉木抛光盘 （压强为 10002000MPa ） 水合抛光蓝宝石， 可获得无划痕的光滑表面， 表面粗糙度 低于 Ra2nm， 并且没有加工变质层9。水合抛光只能抛光 蓝宝石、 玻璃、 水
14、晶、 石英等亲水性材料。 4结语 为了获得超光滑的蓝宝石基片表面，国内外众多专 家学者在这一领域作了大量的研究工作，提出了各种抛 光方法。目前光电元件材料基板生产工业所广泛应用的 工件夹具 工件 抛光液 抛光垫 抛光盘 图 2机械化学抛光系统示意图 运动方向 软质磨粒 微反应区 工件 图 3机械化学抛光磨粒与 工件接触示意图 表 1化学机械抛光与机械化学抛光加工技术差异 加工应用 化学机械抛光 （CMP ） 机械化学抛光 （MCP ） 磨料的力作用效果 作用力促进化学反应 产生性小， 抛光液和工 件间的化学反应性大。 利用作用力促进化学 反应。 化学作用 抛光液与工件产生化学反 应，反应生成物
15、以力作用 方式去除。 磨料和工件之间由于力作 用产生化学反应，在表面 形成反应生成物，以力作 用方式去除。 表 2干湿式机械化学抛光的比较 抛光液 抛光温度 摩擦作用 固相化学反应速率 材料移除率 液动压情形 磨料粒径影响 表面粗糙度 干式机械化学抛光 （Dry MCP） 不加任何溶液 高 （5098） 摩擦力大 快 快 无 有 1.52.4nm 湿式机械化学抛光 （Wet MCP ） 加入去离子水 低 （2040） 摩擦力小 慢 慢 有 有 35nm 7 6 5 8 4 3 2 1 图 4水合抛光装置示意图 l.水蒸气发生器2.工件3.抛光盘 4.载荷5.保持架6.蒸气喷嘴7.加 热器8.偏
16、心凸轮 17 机械工程师2009 年第 11 期 学术交流 理论 / 研发 / 设计 / 制造 ACADEMIC COMMUNICATION ! ! 机械化学抛光法， 虽已有相当的产能良率， 但其所需要的 设备成本与技术的要求非常高，以及抛光液的回收处理 问题等， 均需要投入大量的资本。 对于蓝宝石基片的化学 机械抛光加工，国内外很多专家和学者目前都在致力于 无研磨剂抛光平坦化技术的研究， 以获得超光滑的表面。 参考文献 1 Dietz R W. Bowl Feed Technique for Producing Super smooth Optical Surface J .Applied
17、Optics， 1966， 5（5 ） ： 4448-4451. 2 Leistner A J. Teflon Polisher：Their Manufacture and Use J . Applied Optics ， 1976， 15： 293-297. 3 Leistner A J，Bennett J M. Polishing Study Using Teflon and Pitch Laps to Produce flat and Super smooth SurfacesJ . Applied Optics， 1992， 31 （10 ） ： 1472-1482. 4Namba Y
18、，Tsuwa H. Ultra-fine finishing of sapphire single crystal J . Annals of the CIRP，1997， 26 （1 ） ： 325-329. 5 Yasunuga N.Effect of Solid State Reaction On Wear of Sapphire Sliding on Steel J .Joural of JSPE， 1978， 44： 65-71. 6 袁巨龙， 崔丽芬， 张如源， 等.蓝宝石单晶纳米加工技术的研究 J .仪器仪表学报， 1995， 16 （1 ） ： 187-192. 7 王娟， 檀
19、柏梅， 赵之雯， 等.蓝宝石衬底片的抛光研究 J .电子工 艺技术， 2005， 26 （4 ） ： 228-231. 8Fritz K，Martin W. Influence of Solution Chemistry on the Hydration of Polished Clinker Surfaces-A Study of Different Types of Polycarboxylic Acid based AdmixtureJ .Cement and Concrete Research， 2002， 32 （2 ） ： 187-198. 9 袁巨龙.功能陶瓷的超精密加工技术 M
20、 .哈尔滨： 哈尔滨工业 大学出版社， 2000.（编辑 昊天 ） 作者简介： 朱从容 （1969- ） ， 男， 副教授， 主要从事超精密加工技术及 装备的研究。 收稿日期： 2009-09-01 光学视觉测量技术在导弹上的应用 偏晓鹏， 刘献伟， 陈鑫 （中国空空导弹研究院， 河南 洛阳 471009 ） 1引言 目前，很多国家装备的近距格斗空空导弹已发展到 了第四代， 其最重要的特点就是机动能力强， 过载一般可 达到 50g （g 为重力加速度 ） 以上。一般轴对称外形的气动 力控制导弹， 大攻角飞行时会带来大的阻力， 特别是诱导 横滚力矩， 这会造成导弹严重的交叉耦合运动， 使导弹的
21、控制系统变得不稳定，这样在客观上就限制了导弹最大 过载的提高， 一般不会超过 35g40g1， 要达到更高的过 载， 必须采用非常规的控制方式和气动布局设计， 推力矢 量控制技术就是一种很好的提高导弹过载的方式。 推力矢量控制技术是一种控制发动机主推力矢量相 对于导弹轴线的偏转来产生所需控制力矩的控制技术。 其最大特点就是导弹的机动性不依赖于导弹的飞行环 境，这使得导弹在发射后速度较低的初始飞行段及高空 空气稀薄条件下仍能达到较大过载。导弹推力矢量控制 系统按气流致偏方式大致可分为摆动喷管致偏、流体二 次喷射致偏和阻流致偏三种方式，本文研究的是燃气舵 形式的推力矢量控制技术， 属阻流致偏的一种
22、。 2问题的提出 无论采用何种形式的推力矢量控制技术，都需要对 推力矢量装置进行控制。 一般来说， 推力矢量装置的控制 不设计专用的控制系统， 而采用和气动舵联动的方式。 对 于阻流致偏燃气舵方式的推力矢量控制系统，气动舵与 燃气舵可通过联接机构实现两者的联动，气动舵与燃气 摘要：文中给出了用于导弹轴线、 舵偏角等测量的光学视觉测量装置及其测量技术原理， 包括测量装置的数学模型、 导弹轴线、 舵面的测量模型及舵偏控制装置、 测量装置的组成和工作过程。应用结果表明， 采用该光学视觉测量装置得 到的角度测量精度优于 0.1， 具有测量过程自动化程度高等优点。 关键词：导弹；激光；光学视觉；测量 中
23、图分类号： TJ765文献标识码： A文章编号： 10022333 （2009 ） 11001803 Application of Optical Vision Measurement Method in Missile Measuring PIAN Xiaop-eng，LIU Xian-wei，CHEN Xin （China Airbone Missile Academy， Luoyang 471009，China ） Abstract：An optical vision measurement device is proposed for missile axis，deflection a
24、ngle of rudder measurement. The mechanism of the device，the missile axis testing，the rudder testing，and rudder deflection control system and test system is discussed. Testing result shows that the optical vision measurement device has advantage of good automatic nature，and angle test resolution is no more than 0.1. Key words：missile; laser; optical vision; measurement ACADEMIC COMMUNICATION 学术交流 理论 / 研发 / 设计 / 制造 机械工程师2009 年第 11 期18