[发明专利]一种基于函数拟合的具有梯度功能研抛盘的制备方法

说明书

本发明公开了一种基于函数拟合的具有梯度功能研抛盘的制备方法，包括如下步骤：(1)首先根据Preston方程，确定所要加工材料在研抛盘上加工时研抛盘理论上的弹性模量梯度分布E＝(r,z)；(2)根据研抛盘理论上的弹性模量梯度分布E进行仿真，并将仿真结果中的接触应力和理论值进行对比，并进行曲线拟合；(3)以曲线拟合后最终得到的效果最好的弹性模量梯度分布E(r,z)制备研抛盘。本发明的研抛盘是由工件来决定的，因此使得加工本身更具有针对性；在研抛盘上存在梯度式分布，可以同时实现研磨和抛光两道工序的加工，减少了换盘的时间，提高了加工效率；由于研抛盘在轴向和径向上都存在着弹性模量的梯度式分布，因此可以实现工件的按需去除。

技术领域

本发明涉及超精密加工技术领域，更具体的说，尤其涉及一种基于函数拟合的具有梯度功能研抛盘的制备方法。

背景技术

随着尖端科技的迅猛发展，蓝宝石、单晶硅、光学玻璃等硬脆材料在航空航天、光学及电子等领域中的应用越来越广泛。蓝宝石具有优良的光电性能、稳定的化学性能、高耐磨性、高熔点和高硬度等特点，广泛应用于光电子、通讯、国防等领域。蓝宝石材料是氮化物半导体衬底的首选材料，在特殊环境要求下，还没有替代产品。随着电子信息技术的发展，尤其是LED半导体照明产业的发展，对蓝宝石基片的市场需求越来越强烈。

作为衬底材料，蓝宝石基片表面的加工精度和完整性要求特别高。蓝宝石基片的加工，研磨和抛光占有非常重要的工序地位，应在注重加工效率的同时，重点关注表面粗糙度、表层损伤、残余应力、平坦度(面型精度)等技术指标。目前，针对蓝宝石基片，可采用化学机械抛光、流体抛光等传统或新兴的超精密加工技术，在已经取得相关技术突破的同时，也存在一些不容忽视的问题。

Preston方程是广泛应用在磨削加工中的经验公式，此方程是由PRESTON在1927年提出的，在一定的条件下，可以用Preston方程描述磨粒加工对工件去除量与各种工艺参数以及磨粒特性的关系。根据Preston方程可知，基于与研抛盘接触压强的分布不均和相对速度分布的非均匀性以及研抛盘自身磨料选择、工艺参数控制等问题所引起的材料去除非均匀、材料表面损伤等是基片加工质量差的重要根源。因磨料分布不均和材料去除不均等因素，使研磨后的蓝宝石基片面型精度较差，增加了后续工序的去除量，生产耗时耗力，且难以控制，维护成本较高；同时，在研磨和抛光不断转换的工序中，所能达到的加工效率较低，且很多经过加工之后的蓝宝石片由于表面划痕较重，批量加工的蓝宝石基片很大一部分表面有粗、深划痕，需重新研磨抛光，从而导致返工，效率难以提高。

因此，采用梯度式分布的研抛一体盘对工件进行加工是研磨抛光加工发展的必然趋势。安徽工业大学的研究团队在2014年发表的SiO₂/CeO₂复合磨料的制备及在蓝宝石晶片抛光中的应用中提出了一种采用均相沉淀法制备了SiO₂/CeO₂复合磨料，并用于蓝宝石晶片的化学机械抛光，研究结果表明，采用复合磨料抛光虽然材料去除速率略低于单一SiO₂磨料，但抛光后的蓝宝石晶片表面质量得到明显的改善，能满足蓝宝石作发光二极管衬底的工艺要求。中国兵器工业第五二研究所烟台分所研究团队在2014年发表的功能梯度材料的制备技术及其研发现状中提出了功能梯度材料的研究进展，重点总结了功能梯度材料的制备方法和性能评价，其中特别指出功能梯度材料的弹性模量、热导率、热膨胀系数及成分在厚度方向上呈连续变化，并具有可设计性，可针对性地改变各组分材料体积含量的空间分布规律，优化结构内部应力分布。西安理工大学的研究团队在2014年发表的增强铁基梯度复合材料的原位生成及其磨粒磨损特性中提出了采用原位反应法在HT300表面制备了碳化钽增强表面梯度复合材料，并对复合层的微观结构、物相组成、显微硬度以及磨粒磨损性能进行了表征，从表面致密层到基体，其组织、成分、硬度分布均呈梯度变化。同时，授权公告号CN103432948B的中国发明专利一种用于软固结磨粒群生产的封闭式搅拌装置提出了一种为更好的均匀搅拌高聚物、磨料、固化剂、引发剂等混合物，保证了制备具有梯度功能研磨盘的实现。