1 兰州理工大学 机电工程学院，甘肃兰州730000
2 兰州理工大学 有色金属先进加工与再利用国家重点实验室，甘肃兰州730000
3 大连理工大学 机械工程学院，辽宁大连116024
4 大连理工大学 宁波研究院，浙江宁波315016
磁性复合流体（Magnetic Compound Fluid，MCF）具有优异的抛光性能，然而MCF抛光液中的水分在抛光过程中流失，抛光性能随之降低，这将增加抛光成本并严重影响MCF抛光的工程应用。针对磁性复合流体抛光液在抛光过程中水分流失的问题，探究了抛光过程中MCF水分含量对MCF形貌特征、抛光区域温度、正压力与抛光质量的关系，构建MCF中水分对抛光质量的影响机理。首先，分析了抛光过程中不同水分占比抛光液对抛光性能的影响规律，采用工业相机观察MCF抛光液抛光前后的形貌特征。然后，通过总结抛光过程温升-磁流体状态-抛光作用力-抛光质量的内在联系，构建不同水分含量MCF的抛光机理。最后，通过向MCF抛光液中定量补充水分，有效地缓解了MCF抛光液抛光效果降低的问题。实验结果表明：（1）当MCF抛光液水分占比为45%时初始抛光效果较好，抛光10 min内工件的表面粗糙度由0.410 μm下降到0.007 μm；而使用已持续抛光50 min的MCF加工10 min后工件的表面粗糙度由0.576 μm下降到0.173 μm。MCF随着抛光时间的增加MCF抛光性能大幅下降；（2）随着抛光液中含水量的降低，抛光时磁性颗粒形成的链状结构恢复能力变差，进而影响其抛光性能；（3）在抛光过程中向MCF抛光液补充水分后，抛光结束时工件的表面粗糙度下降率由无添加时的69.97%提高至86.69%，材料去除率由0.95×108 μm3/min提升到1.45×108 μm3/min，抛光正压力由3.7 N提升到4.2 N。当抛光过程中补充水分，使MCF的水含量占比维持在45%左右时，可以保持其长效稳定的抛光能力，有效地延长MCF的使用寿命。
磁性复合流体 抛光温度 抛光性能 表面粗糙度 材料去除率 magnetic compound fluid polishing temperature polishing performance surface roughness material removal rate 光学 精密工程
2023, 31(24): 3559
1 山西工程技术学院材料科学与工程系, 阳泉 045000
2 山西省阳泉市水文水资源勘测站, 阳泉 045000
对粉煤灰基多孔陶瓷的有效利用不但能够减少粉煤灰对环境的污染, 而且在废水处理等领域表现出较高的应用价值。本文以粉煤灰为主要原料, 膨润土为黏结剂, 活性炭为造孔剂, 采用直接成型烧结工艺制备了一种性能优异的多孔陶瓷材料, 并研究了烧结温度和活性炭用量对多孔陶瓷结构与性能的影响。结果表明, 粉煤灰/膨润土烧结形成陶瓷骨架, 活性炭氧化形成孔洞结构, 在两者协同作用下形成多孔陶瓷材料。随着烧结温度的升高和活性炭用量的减少, 多孔陶瓷材料的显气孔率和吸水率减小, 体积密度和抗压强度增大。当烧结温度为1 100 ℃和活性炭用量为60%(质量分数)时, 所制备的多孔陶瓷综合性能更优, 显气孔率为6175%, 体积密度为093 g·cm-3, 吸水率为 6348%, 抗压强度为429 MPa, 对浓度为100 mg·L-1的Pb2+溶液的去除率为984%, 饱和吸附量高达4579 mg·g-1。
粉煤灰 活性炭 多孔陶瓷 去除率 吸附量 fly ash activated carbon porous ceramics Pb2+ Pb2+ removal rate adsorption capacity
1 武汉理工大学资源与环境工程学院，武汉 430070
2 武汉科莱烯科技有限公司，武汉 430223
3 武汉轻工大学化学与环境工程学院，武汉 430023
水性漆在涂料市场的份额逐年快速攀升，但采用传统漆雾凝聚剂处理水性漆废水存在水性漆去除率不高、二次污染等问题。本文开发了二维剥片型蒙脱石漆雾凝聚剂，显著提升了蒙脱石漆雾凝聚剂的分散稳定性和对水性漆废水中水性漆的去除率，并用原子力显微镜(AFM)、扫描电子显微镜-X射线能谱(SEM-EDS)分析、Zeta电位分析仪、傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)、紫外分光光度计探究了二维剥片对蒙脱石漆雾凝聚剂的影响及蒙脱石漆雾凝聚剂的作用机理。结果表明：蒙脱石漆雾凝聚剂处理水性漆废水的机理主要是蒙脱石中的羟基和Si—O中的O与水性漆的羧基之间形成了氢键，使水性漆被吸附在蒙脱石表面；剥离程度较高的蒙脱石电负性更强，能保持更好的分散稳定性；剥离程度的增加使蒙脱石漆雾凝聚剂的分散稳定性和对水性漆的去除率显著提升，当二维剥片型蒙脱石用量为水性漆废水的1.125%(体积分数)、阳离子型聚丙烯酰胺用量为水性漆废水的1.000%(体积分数)时，水性漆去除率可达98.770%；与市售蒙脱石漆雾凝聚剂相比，本产品处理水性漆废水后水性漆去除率更高。
蒙脱石 二维剥片 水性漆废水 漆雾凝聚剂 水性漆去除率 消黏剂 montmorillonite two-dimensional exfoliation water-based paint wastewater paint mist condensate removal rate of water-based paint debonding agent
光学 精密工程
2023, 31(16): 2362
1 广东工业大学物理与光电工程学院, 广州 510006
2 松山湖材料实验室, 东莞 523808
4H-SiC单晶是典型的难加工材料, 研磨加工后表面损伤的密度和深度直接影响后续抛光工序的质量和效率。采用普通铸铁盘研磨工艺会导致晶圆表面划痕多、边缘破片以及去除率不稳定等问题。本实验采用聚氨酯垫研磨工艺, 减少研磨划痕, 提高了研磨后的表面质量, 实现了SiC衬底的精准研磨。通过改变金刚石磨料粒度、磨抛盘转速、研磨压强进行SiC衬底的研磨实验, 探究最优工艺参数及各条件对研磨效果的影响规律。实验结果表明: 随着研磨盘速度增大, 研磨的去除率增大, 其对应的粗糙度先降低后升高; 增大金刚石磨料的粒径会增大研磨的去除率, 但研磨后表面粗糙度也会持续增大; 通过增加研磨压强, 材料的去除率和表面粗糙度都将增加, 但去除率增加的速率由快变慢, 而粗糙度增加的速率逐渐加快。综合考虑, 采用聚氨酯垫研磨时, 较优研磨工艺参数为: 金刚石研磨液浓度为3%, 金刚石粒径为1 μm, 研磨液供给速度为5 mL/min, 研磨压强为47 kPa, 研磨转速35 r/min。该工艺下SiC材料的去除率为0.7 μm/h, 研磨后SiC衬底的表面粗糙度为24 nm。
研磨 聚氨酯垫 表面粗糙度 去除率 金刚石磨料 4H-SiC 4H-SiC grinding polyurethane pad surface roughness removal rate diamond abrasive
1 中国科学院合肥物质科学研究院，安徽光学精密机械研究所，安徽省光子器件与材料重点实验室，合肥 230031
2 中国科学技术大学，合肥 230026
3 先进激光技术安徽省实验室，合肥 230037
YAG晶体是一种典型硬脆材料，莫氏硬度达8.5，常温下不溶于任何酸碱，加工难度较大。针对YAG晶体研磨加工，本工作提出一种分步研磨工艺。基于游离磨料研磨的方法，在研磨过程中逐级减小碳化硼(B4C)磨料粒径，选用磨料W40、磨料W28、磨料W14、磨料W7分步骤研磨，4种磨料的粒度范围依次为：40～28 μm、28～20 μm、14～10 μm、7～5 μm。通过研磨参数试验研究了每个步骤中研磨压力、研磨盘和摆轴转速、研磨液中B4C质量分数等参数对研磨效果的影响，得出最佳研磨参数；通过截面显微法测量出YAG晶体研磨后亚表面损伤的深度，确定后续抛光去除量，并探究了亚表面损伤深度hSSD与研磨后表面粗糙度Ra的关系。研究表明：当研磨压力为44.54 kPa、研磨盘和摆轴转速为60 r/min、研磨液中B4C质量分数为15%时，每个研磨步骤均取得最好研磨效果：磨料W40、磨料W28、磨料W14、磨料W7研磨的材料去除率分别为83.12、57.32、27.54、9.53 μm/min，研磨后表面粗糙度Ra分别为0.763、0.489、0.264、0.142 μm。截面显微法测量得出分步研磨后产生的亚表面损伤深度为3.041 μm，需要在后续抛光中去除; 此研磨参数下YAG晶体研磨后亚表面损伤深度与表面粗糙度的关系为：hSSD=41.46×Ra4/3，该研究可为YAG晶体元件的实际加工生产提供指导。
钇铝石榴石晶体 研磨 亚表面损伤 材料去除率 表面粗糙度 yttrium aluminum garnet crystal lapping subsurface damage material removal rate surface roughness
1 激光加工国家工程研究中心，湖北 武汉 430074
2 华中科技大学光学与电子信息学院，湖北 武汉 430074
高功率纳秒光纤激光器已经被广泛应用于激光雕刻中。以碳钢作为研究材料，使用主振荡功率放大（MOPA）光纤激光器系统研究了脉冲宽度、能量密度和脉冲重复频率（PRF）对激光雕刻结果的影响，且每组参数作用下的材料去除率（MRR）和平均表面粗糙度（Sa）使用三维（3D）轮廓仪进行测量。研究发现：使用较长的脉冲宽度和较高的能量密度会得到较大的MRR和Sa；使用较短的脉冲宽度和较高的能量密度也能得到较大的MRR和Sa，这是较高的脉冲重叠率造成的；存在临界PRF，该值在使得MRR较大的同时，可使得Sa较小。最后，使用优化的工艺参数得到了高质量、高MRR的雕刻效果。
激光器 深度雕刻 MOPA光纤激光器 材料去除率 平均表面粗糙度 光学学报
2022, 42(20): 2014001
光学 精密工程
2022, 30(15): 1857
1 盐城工学院机械工程学院,盐城 224051
2 北京理工大学机械与车辆学院,北京 100081
本文利用单因素及正交试验探究磨粒种类、抛光液pH值、表面活性剂种类、磨粒粒径对C面蓝宝石化学机械抛光材料去除率的影响, 试验结果表明: 采用二氧化硅作为磨粒能得到较高的材料去除率及较好的表面形貌; 材料去除率随抛光液pH值的增大呈现先增大再减小的趋势, 其中pH值在9附近能得到较好的去除率; 材料去除率还随着磨粒粒径的增大而增大; 使用三乙醇胺(TEA)、十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)作表面活性剂能得到较高的材料去除率; 各试验因素对蓝宝石晶片材料去除率的主次顺序为磨粒粒径、表面活性剂、抛光液pH值; 其中当磨粒粒径为50 nm, 表面活性剂选CTAB, 抛光液pH值为9既能得到较高的材料去除率又能获得较好的表面质量。
抛光液 单因素试验 正交试验 材料去除率 化学机械抛光 表面活性剂 蓝宝石加工 polishing slurry single factor test orthogonal test material removal rate chemical mechanical polishing(CMP) surfactant sapphire processing
安徽建筑大学机械与电气工程学院，安徽 合肥 230601
通过改变飞秒激光的重复频率、聚焦光斑的能流密度及扫描速度，研究了不同的激光加工参数对纳米金刚石涂层表面去除率的影响规律。利用白光干涉仪的观测结果，结合数值拟合的方法，建立了材料去除率函数模型。试验结果分析表明：在不同的重复频率下，涂层表面单位时间内累积的激光能量保持稳定，材料的去除率无明显变化；聚焦光斑的能流密度越大，刻蚀强度越大，材料的去除率越大；不同激光扫描速度下的加工结果不同，材料的去除率随扫描速度的增大呈先增大后减小的变化趋势。
激光光学 超快光学 飞秒激光 刻蚀 纳米金刚石涂层 材料去除率 激光与光电子学进展
2021, 58(11): 1114001
