С быстрым развитием оптоэлектроники, производства полупроводников и прецизионной оптики рыночные требования к качеству поверхности заготовок вступили в эру плоскостности суб-нанометрового или даже атомного уровня. Как один из наиболее часто используемых полировальных абразивов, оксид алюминия (корунд) имеет твердость по шкале Мооса 9 (фаза), уступая только алмазу и карбиду кремния, что позволяет ему эффективно обрабатывать подавляющее большинство твердых и хрупких материалов. Что еще более важно, точно контролируя кристаллическую фазу, чистоту, размер частиц и форму, можно достичь множества целей, начиная от быстрого удаления материала и заканчивая зеркальной полировкой без повреждений, обеспечивая оптимальный баланс между «твердостью» и «прочностью» (т. е. эффективностью резки и защитой поверхности).
Ключевые факторы, влияющие на эффективность полировки оксида алюминия
Полирующие свойства оксида алюминия не определяются каким-то одним фактором; скорее, это результат совместного действия кристаллической формы, морфологии, размера частиц и процесса спекания.
01 Кристаллическая фаза: синергетический эффект ‑Phase, ‑Phase и смешанных кристаллов
‑Al₂O₃, широко известный как корунд, имеет наиболее стабильную структуру, самую высокую твердость (9 по шкале Мооса) и сильную химическую инертность-, он нерастворим в воде, кислотах и щелочах. Он подходит для шлифования и черновой полировки сверхтвердых материалов, таких как сапфир и карбид кремния, обеспечивая высокую скорость съема.
‑Al₂O₃, также называемый активированным оксидом алюминия, имеет более низкую твердость (6–8 по шкале Мооса), но большую удельную поверхность и высокую реакционную способность. Его температура фазового перехода низкая (около 600 градусов), он с трудом образует твердые агломераты и облегчает получение наноразмерных частиц с чрезвычайно узким распределением частиц по размерам. Подходит для прецизионной полировки с жесткими требованиями к повреждению поверхности, обеспечивая превосходное качество поверхности.
Для решения специализированных задач ведущие компании отрасли разработали абразивы на основе смешанокристаллического оксида алюминия. Регулируя соотношение ‑фазы к ‑фазе, можно адаптировать композитный абразив для обеспечения определенной силы резания, а использование ‑фазы позволяет улучшить качество поверхности после полировки, что делает его пригодным для специальной точной полировки.
02 Микроморфология: от «катящегося истирания» к «скользящему истиранию»
Традиционные абразивы в основном имеют неправильную угловатую или сферическую форму. Хотя частицы с острыми краями и углами обеспечивают высокую начальную силу резания, они легко оставляют случайные царапины и в основном используются для грубой полировки. Сферический оксид алюминия обеспечивает хорошую текучесть, отличную диспергируемость и поверхность без острых краев, что позволяет эффективно избежать микроцарапин и делает его пригодным для тонкой полировки.
Чешуйчатый оксид алюминия представляет собой высокоэффективный функциональный микропорошок, появившийся в последние годы. Он принадлежит к ‑Al₂O₃ и имеет отчетливую пластинчатую структурную особенность с высоким соотношением сторон. Его радиальный размер обычно составляет от 5 до 50 мкм, а толщина обычно составляет от 100 до 500 нм. Хорошо развитые кристаллы могут также иметь правильную гексагональную морфологию. В процессе полировки плоские поверхности частиц выравниваются параллельно поверхности заготовки, создавая эффект скользящего истирания, а не прокатывающего истирания, как у обычных абразивов. Эта характеристика дает три основных преимущества: ① меньше царапин;-избегание случайных повреждений, вызванных кончиками частиц; ② равномерное распределение давления- делает частицы менее склонными к разрушению и значительно повышает износостойкость; ③ высокоэффективное-давление шлифования эффективно преобразуется в силу резания, что может увеличить выход продукта на 10–15 % (например, при полировке оптических линз).
03 Размер частиц: «палка о двух концах», определяющая скорость удаления и шероховатость поверхности
Размер частиц является одной из наиболее чувствительных переменных, влияющих на эффективность полировки:
Coarse size (>5 мкм): высокая сила резания, используется для быстрого удаления материала (например, при черновой полировке), но приводит к высокой шероховатости поверхности и глубокому повреждению слоя.
Субмикронный размер (0,1–1 мкм): балансирует скорость съема и качество поверхности, что делает его основным выбором для прецизионной полировки (например, тонкой полировки сапфиров и пластин).
Нано размер (<100 nm): leverages volume effects and surface effects to achieve atomic‑level flatness (Ra < 0.3 nm), but the removal rate is relatively low, mainly used for final finishing.
04 Степень спекания и добавки
Контролируя температуру и время спекания, можно регулировать плотность и размер зерна глиноземной керамики. Добавки (связка) влияют на прочность удержания абразивных зерен в инструменте, их расположение и поведение при самозатачивании, тем самым косвенно влияя на твердость и срок службы полировального инструмента.