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CeO_2SiO_2复合磨粒抛光性能及机制研究
摘要
本研究通过制备CeO_2-SiO_2复合磨粒，并利用SEM和AFM研究其形貌和表面特性。同时，采用超声波辅助球磨的方法制备了复合磨粒抛光剂，并测试了其抛光性能。研究结果表明，CeO_2-SiO_2复合磨粒抛光剂表现出较高的抛光效率和较好的表面质量。机理研究表明，复合磨粒抛光剂在抛光过程中主要是通过磨粒形变和切削作用来实现材料去除，并且磨粒表面的CeO_2和SiO_2颗粒均能够起到去除氧化层和平整表面的作用。
关键词：CeO_2-SiO_2复合磨粒；抛光剂；抛光性能；机理研究。
Abstract
Inthisstudy,CeO_2-SiO_2compositeabrasiveswereprepared,andtheirmorphologyandsurfacecharacteristicswerestudiedusingSEMandAFM.Atthesametime,acompositeabrasivepolishingagentwaspreparedbyultrasonic-assistedballmilling,anditspolishingperformancewastested.TheresultsshowthattheCeO_2-SiO_2compositeabrasivepolishingagenthashighpolishingefficiencyandgoodsurfacequality.Mechanismresearchshowsthatinthepolishingprocessofthecompositeabrasivepolishingagent,materialremovalismainlyachievedbyabrasivedeformationandcutting,andCeO_2andSiO_2particlesonthesurfaceoftheabrasivecanbothremovetheoxidelayerandsmooththesurface.
Keywords:CeO_2-SiO_2compositeabrasive;polishingagent;polishingperformance;mechanismresearch.
引言
在制造业中，表面粗糙度的控制已成为一项重要的工程技术，并且对于某些特殊应用行业来说，如集成电路、光学元件等，表面质量的要求更加苛刻。因此，开发高效的抛光剂的研究一直受到关注。目前，金刚石、氧化铝、氧化铝基复合磨料等抛光剂在市场上占据了领先地位，但这些抛光剂具有尖锐的颗粒，在抛光过程中容易产生微破坏，而且抛光速度较快，容易在表面形成薄的氧化层。因此，近年来，研究人员开始关注材料去除表面氧化层和提高抛光剂表面平整度的复合磨料。
氧化铈(CeO_2)由于其良好的氧化还原性质，以及在pH值较高的条件下表现出的良好分散性，因此成为了研究的热点材料之一。在很多领域中，如金属、半导体和光学材料等领域，在抛光和化学机械抛光方面，CeO_2已具有广泛应用。然而，CeO_2单独使用时存在磨削效率低、容易在表面形成氧化层的缺点，因此很多研究人员开始使用复合磨料来改进CeO_2的抛光性能。
本研究旨在制备CeO_2-SiO_2复合磨粒，并通过SEM和AFM研究其形貌和表面特性。同时，采用超声波辅助球磨的方法制备了复合磨粒抛光剂，并测试了其抛光性能。最后，进一步研究了复合磨粒抛光剂的机理。
实验方法
制备CeO_2-SiO_2复合磨粒
首先，将硝酸铈和硝酸二乙基酰胺、NaOH溶液等按一定比例混合，调节pH值后加入含有硅源的甲基三乙氧基硅烷溶液，然后通过水热法制备了CeO_2-SiO_2复合磨粒。水热条件为170℃，反应时间为12h。制备的CeO_2-SiO_2复合磨粒的CeO_2含量为30%，固体含量为20wt%。
制备CeO_2-SiO_2复合磨粒抛光剂
制备CeO_2-SiO_2复合磨粒抛光剂的方法为超声波辅助球磨。将复合磨粒、聚乙二醇和乙醇按照一定比例混合，并放入球磨机中进行球磨处理。球磨条件为旋转速度120rpm，球磨时间4h。最后，使用离心机分离得到抛光剂。
测试抛光性能
所制备的抛光剂分别在锌板和硅片上进行抛光实验。实验条件为：抛光剂浓度为5wt%，旋转速度为1000rpm，抛光时间为5min。抛光前后锌板和硅片的表面形貌分别通过SEM和AFM进行测试，以评价抛光剂的性能。
结果与讨论
复合磨粒形貌
CeO_2-SiO_2复合磨粒的SEM图像如图1所示。可以看到，CeO_2和SiO_2颗粒均匀分布且相互穿插，且磨粒表面呈现出黏附的态势。通过AFM测试可以得到复合磨粒的表面粗糙度如图2所示，表明复合磨粒的表面平整度较好。
抛光