隨著光電技術(shù)的發(fā)展，越來越多形貌復(fù)雜的光學(xué)元件被應(yīng)用于醫(yī)療、航空、國防等領(lǐng)域。人們對于光學(xué)元件加工質(zhì)量也提出了更高的要求，如較高的表面質(zhì)量、較好的面型精度和較低的表面粗糙度等。電流變拋光技術(shù)是將介電性能良好且硬度較高的磨料顆粒加入到電流變液體中，利用其在外加電場下的電流變效應(yīng)實現(xiàn)對工件拋光，可獲得較高的表面質(zhì)量。
近日，北華大學(xué)趙云偉博士與美國密歇根州立大學(xué)曹長勇教授團隊對針狀工具電極在電流變效應(yīng)下對導(dǎo)體材料進行拋光的過程進行了詳細(xì)研究。該團隊觀測了在施加外電場后，電流變拋光液的微觀結(jié)構(gòu)，并建立了不同粒度固相粒子間結(jié)合模型。磨料顆粒以單一粒子方式或粒子微團方式結(jié)合在分散相形成的粒子鏈內(nèi)或分散相顆粒之間，而分散相顆粒作為粘結(jié)劑粘附于磨料顆粒表面或吸附磨料顆粒將其粘結(jié)成鏈或包裹于粒子鏈內(nèi)形成BCT (Body-Centered Tetragonal) 結(jié)構(gòu)。在電流變拋光過程中，針狀工具作為正極，導(dǎo)體材料的工件作為負(fù)極，電流變拋光液被控制在工具電極和拋光工件之間的狹小縫隙內(nèi)。當(dāng)電極兩端施加電壓后，電流變拋光液中的固相顆粒會在外電場的作用下極化，相互吸引，從而在電極間沿著電場的方向形成顆粒鏈，磨料顆粒將被束縛在粒子鏈上。因此，隨著工具電極的旋轉(zhuǎn)，磨料顆粒相對工件表面剪切運動可以實現(xiàn)工件表面拋光。
該研究中，科研人員根據(jù)電流變拋光液中粒子的結(jié)合模型和相互作用分析，建立了針對電流變拋光導(dǎo)體材料的模型。通過電流變拋光實驗，揭示和驗證了材料去除模型和拋光區(qū)域內(nèi)材料去除量的變化規(guī)律。電流變拋光由于采用微小針狀工具電極，拋光區(qū)域小而且靈活，適于拋光微小形貌復(fù)雜的導(dǎo)體類工件，未來在微小光學(xué)元件模具制造中具有巨大的潛力。
圖1.電流變拋光液微觀結(jié)構(gòu)和粒子結(jié)合模型。(a)電流變效應(yīng)微觀顯示系統(tǒng)，包括高壓電源、電流變效應(yīng)激發(fā)裝置和超景深三維顯微系統(tǒng)。其中電流變效應(yīng)激發(fā)裝置基體由絕緣材料組成，內(nèi)部包含兩個可相對運動的銅電極;(b)三維顯微系統(tǒng)觀測到的混有粒度W10、濃度10%的SiC顆粒的電流變拋光液的微觀結(jié)構(gòu)。其中白色顆粒為分散相顆粒，黑色顆粒為磨料顆粒;(c)不同粒度磨料顆粒的電流變拋光液的微觀結(jié)構(gòu);(d)不同粒度的電流變拋光液內(nèi)粒子的結(jié)合模型。
圖2.電流變拋光機理與拋光液內(nèi)粒子間作用力分析。(a)電流變拋光導(dǎo)體類材料機理，工具電極采用導(dǎo)電性能良好的銅材料，拋光時通常針狀工具作為正極，導(dǎo)體材料的工件作為負(fù)極。施加電壓后，拋光液聚集在工具電極周圍形成微小的柱狀凸起；(b-c)為電流變拋光過程中粒子間作用力分析；(d)采用針狀工具電極對導(dǎo)體材料進行拋光時，工具電極和工件之間的狹小間隙內(nèi)形成梯度電場數(shù)值模擬結(jié)果；(e)拋光區(qū)域內(nèi)電場強度分布；(f)拋光區(qū)域內(nèi)被測磨料受到的法向壓力的變化。
圖3. 電流變拋光材料去除機理.(a)電流變拋光液中的固相顆粒在外電場的作用下極化后相互吸引，在電極間沿著電場的方向形成鏈狀，磨料顆粒將被束縛在所形成的粒子鏈上形成BCT結(jié)構(gòu); 隨著工具電極的旋轉(zhuǎn)，磨料顆粒相對工件表面剪切運動。與工件表面接觸的磨料顆粒在法向壓力的作用下與工件表面接觸產(chǎn)生壓痕，且磨料顆粒在剪切力的作用下沿工件表面移動，當(dāng)拋光液作用在磨料顆粒的剪切力大于工件表面的抗剪切作用力時，工件表面材料將會被去除;(b)在拋光過程中，磨料顆粒以一定的拋光軌跡相對于工件表面運動，從而形成一定的去除痕跡；(c)拋光區(qū)域內(nèi)分布若干個拋光環(huán)。
圖4. 電流變拋光硬質(zhì)合金.(a)最大拋光深度與工作間隙的關(guān)系;(b)拋光中心處的表面形貌，磨料顆粒在工件表面上產(chǎn)生明顯的去除痕跡，而且呈環(huán)形分布；(c)最大拋光深度與間隙之間的關(guān)系；(d)工具電極轉(zhuǎn)速對電流變有效拋光面積的影響。
以上相關(guān)成果發(fā)表在國際知名期刊Advanced Engineering Materials上。論文第一作者為北華大學(xué)趙云偉副教授，通訊作者為美國密歇根州立大學(xué)曹長勇教授和北華大學(xué)劉曉敏副教授。
論文鏈接: Zhao, Y., Liu, X., Fang, Y. and Cao, C. (2020), Ultra‐Precision Processing of Conductive Materials via Electrorheological Fluid‐Assisted Polishing. Adv. Eng. Mater..
https://doi.org/10.1002/adem.202001109
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