纳米颗粒胶体动压空化射流抛光技术初探(英文)

为了高效加工优质的超光滑表面,提出了一种超光滑表面加工的新方法:纳米颗粒胶体动压空化射流抛光(HCJP).此法利用纳米颗粒与工件表面之间的界面化学反应实现工件表面的原子级去除,并且利用空化射流中的水力空化现象强化加工过程中的机械与化学作用以提高加工效率.设计了HCJP原型装置,并在此基础上对HCJP技术进行了初步实验.结果表明,较低的系统压力有利于得到优质的表面,使用该方法能在K9玻璃上得到粗糙度值在1 nm左右的超光滑表面,证明此技术可以广泛应用于超光滑表面的加工.

紫外光诱导纳米颗粒胶体微射流碰撞特性（英文）

采用流体力学模拟方法,建立了垂直非淹没射流的计算流体动力学模型,研究了在紫外光诱导纳米颗粒胶体射流中用直径D为500μm的微孔光-液耦合喷嘴进行抛光加工的冲击动力学,分析了非淹没射流条件下光-液耦合喷嘴内、外的流场分布情况及其对工件表面的喷射冲击特征,对紫外光诱导纳米颗粒胶体射流冲击动力学过程进行了理论描述。计算结果表明,在1MPa入射压力时,微孔光-液耦合喷嘴口TiO2胶体的喷射速度约为30m/s,其集束匀速喷射距离约为5mm。在此喷射距离时进行垂直喷射,在胶束与工件表面的冲击射流作用区域,其射流静压最大值分布在射流冲击作用中心,但射流动压及射流合成速度在此区域的截面分布呈"W"形状,射流动压及速度最大值出现在胶体射流束的外环直径约2mm处。

不同形状喷嘴纳米颗粒胶体射流流场仿真研究

针对紫外光诱导纳米颗粒胶体射流加工技术中紫外光束与胶体射流束耦合的需求,设计了锥柱形和余弦两种光液耦合喷嘴。配置了二氧化钛纳米颗粒胶体抛光液并测定了其流变特性。采用SIMPLEC耦合求解算法,基于Realizablek-ε湍流模型建立了紫外光诱导纳米颗粒胶体微射流流体动力学模型。在非淹没射流状态下对锥柱形和余弦两种光液耦合喷嘴的内外部流场进行模拟计算,对比研究了速度、压强及湍流强度等关键参数。结果表明:余弦喷嘴的集束性、抗卷吸能力更好,喷射效果更佳,并且在工件表面的射流加工区域,纳米颗粒受抛光液曳力的影响较小,平均速度较高。因此选用余弦喷嘴作为紫外光诱导纳米颗粒胶体射流加工的光液耦合喷嘴可获得更好的抛光效果。

超精密纳米胶体射流抛光试验研究

综合考虑了工件表面原子的微观状态,利用纳米颗粒特殊的高比表面能和高吸附特性,提出了一种可实现工件表面原子级去除的纳米胶体射流抛光方法。利用碱性胶体中纳米颗粒与工件的表面反应,设计了可实现超精密表面加工的纳米胶体射流抛光系统,并利用该系统对K9玻璃进行抛光。试验结果表明,纳米胶体射流抛光可实现超精密光学表面的抛光,抛光后表面粗糙度Ra小于1nm。

计算机控制纳米胶体射流抛光的实验研究

将所设计的纳米颗粒胶体射流加工系统与计算机控制技术结合,实现了计算机控制纳米颗粒胶体射流加工,可将其应用于小曲率半径非球面和自由曲面元件的超光滑表面加工。本试验对一非球曲面高纯石英玻璃元件进行纳米颗粒胶体射流超光滑表面加工,用表面轮廓仪测量了纳米颗粒胶体射流加工前后该高纯石英玻璃元件的表面轮廓曲线。实验结果表明:计算机控制纳米颗粒胶体射流加工,实现了可控的微/纳米材料去除,该非球曲面元件轴向最大去除量为900 nm。原子力显微镜检测结果表明:该元件轮廓截面曲线上的表面粗糙度由Ra2.860 nm降低到Ra0.460 nm。采用纳米颗粒胶体射流技术对小曲率曲面及自由曲面进行超光滑表面加工,是一种确定性超光滑表面的加工方法。

纳米胶体射流抛光技术综述

纳米胶体射流抛光技术是一种超光滑表面加工方法,加工范围广,具有广泛的应用前景。本文回顾了纳米胶体射流抛光技术的提出以及目前的研究现状,最后对其今后的发展进行了简单展望。

TiO_2纳米颗粒在单晶硅表面的吸附

为了实现亚纳米级超光滑表面的加工,建立了紫外光诱导纳米颗粒胶体射流加工系统,同时研究了加工过程中纳米颗粒与工件表面间的相互作用机理。首先,对实验所用锐钛矿TiO_2纳米颗粒及单晶硅工件表面进行表征测量。然后,用第一性原理的平面波赝势计算方法研究了纳米颗粒胶体射流加工中TiO_2分子团簇在单晶硅表面化学吸附的表面构型结构及其体系能量。最后,开展了TiO_2纳米颗粒及单晶硅工件表面间的吸附实验。实验结果表明:胶体中的OH基团在TiO_2团簇表面及单晶硅表面分别发生化学吸附,在TiO_2纳米颗粒及单晶硅表面吸附过程中形成了新的Ti-O-Si键及化学吸附的H_2O分子。红外光谱实验结果显示:TiO_2纳米颗粒与单晶硅界面间存在新生成的Ti-O-Si键。这种界面间的相互作用证实了紫外光诱导纳米颗粒胶体射流抛光过程可实现材料去除的化学作用机理。

磨粒射流加工研究现状与进展

综述了不同磨粒射流加工技术国内外研究现状,重点阐述了磨料水射流加工、磁射流加工以及纳米颗粒胶体射流加工的研究进展,展望了其前景,提出了今后的重点研究方向。

余弦光-液耦合喷嘴参数优化及射流抛光实验

采用流体力学模拟方法,建立了非淹没射流的计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)模型,研究了在紫外光诱导纳米颗粒胶体射流抛光过程中,使用参数优化前后的余弦光-液耦合喷嘴进行抛光加工的冲击动力学,对比分析了在非淹没射流下参数优化前后余弦光-液耦合喷嘴流场分布的能量特征以及压力分布情况,并使用参数优化后的余弦光-液耦合喷嘴对单晶硅材料表面进行抛光实验。仿真结果表明,胶体束在参数优化后的喷嘴内能够获得更大的出口速度,其最大值v=146.621m/s;抛光实验结果表明,相较于抛光前,抛光后的工件表面粗糙度降低了2.78nm。