冷等离子体改性KDP晶体液膜接触潮解抛光工艺研究

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KDP晶体的高质高效加工是惯性约束核聚变等重大工程的迫切需求。KDP晶体是目前公认最难加工的材料之一。目前,潮解抛光是一种极具潜力的KDP晶体超精密加工方法,该方法采用含水抛光介质,可解决晶体表面磨料嵌入和小尺度波纹等问题。然而,现有潮解抛光工艺存在晶体表面形成液滴驻留引起非均匀潮解进而限制表面质量进一步提高的难题。针对该问题,论文提出了使用冷等离子体实时亲水改性KDP晶体从而实现液膜接触潮解抛光的新方法,并从原理、材料去除机制和工艺参数等方面进行了深入研究,主要内容包括如下几点:(1)提出了通过冷等离子体实时亲水改性KDP晶体以实现液膜接触潮解抛光的方法并研制了液膜接触潮解抛光装置。KDP晶体固有的润湿特性是液滴驻留这一问题产生的原因,利用冷等离子体亲水改性KDP晶体表面可实现液滴驻留向液膜接触的转化。使用氮气冷等离子体可快速地将KDP晶体处理至超亲水状态。氮气冷等离子体对KDP晶体的处理效果是可逆的:处理后的KDP晶体表面粗糙度变化小,未生成新物质,接触角会逐渐恢复至处理前的水平。(2)通过KDP晶体的刻蚀实验,研究了KDP晶体在含水介质中的材料去除特性。通过调控含水介质的性质,可实现对KDP晶体在含水介质中刻蚀率的精确控制。氮气冷等离子体处理后的KDP晶体吸附微汽雾中液滴的能力增强,液膜内部靠近晶体表面的水层滑移程度减弱,此时液膜整体的流动性减弱并且流速梯度增大,有利于抛光系统对高点材料的优先去除。(3)通过KDP晶体在不同参数条件下的摩擦磨损实验,分析了KDP晶体在抛光界面上的摩擦特性。通过调控抛光加工参数可精确控制KDP晶体所受摩擦力的大小。加入氮气冷等离子体不改变摩擦力的大小。KDP晶体与抛光垫之间形成边界润滑,材料磨损方式主要为腐蚀磨损,同时发生粘着磨损和磨粒磨损。(4)通过抛光实验分析了氮气冷等离子体和各个抛光参数对抛光效果的影响,验证了液膜接触潮解抛光方法的优越性。微汽雾潮解抛光过程中加入氮气冷等离子体可降低KDP晶体的表面粗糙度,增大材料去除率。通过调控等离子体放电参数和抛光加工参数,可加工出不同的KDP晶体表面质量,并精确控制材料去除率。相比于现有的微汽雾潮解抛光方法,液膜接触潮解抛光方法可有效去除液滴驻留产生的微凹坑,表面粗糙度rms值从18.362 nm下降至7.626 nm,PV值从109.928 nm下降至61.526 nm。
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