纳米颗粒胶体动压空化射流抛光技术初步研究

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1、精品文档纳米颗粒胶体动压空化射流抛光技术初步研究纳米颗粒胶体动压空化射流抛光技术初步研究0前言　　　　如今，现代光学，微电子科学，薄膜科学等领域对表面质量提出了很高的要求，使得超光滑表面广泛应用于工程实际当中。一般来说作为超光滑表面，其表面粗糙度要在1nm以下，还要求无亚表面损伤和完整的表面晶格。这些苛刻的要求使得常规的以机械作用去除工件材料的加工方法难以加工出高质量的超光滑表面。为了以较高的效率加工出高质量的超光滑表面，我们提出纳米胶体动压空化射流抛光，利用纳米胶体抛光液与被加工材料表面的界面化学反应为机理，实现被加工材料在分子或原子量级上的微量去除，并辅以空化效应所带来的

2、机械和化学作用的强化，加快界面化学反应速率，提高加工效率。本文以纳米2Sio胶体液为抛光液对纳米胶体动压空化射流抛光进行了初步研究，设计了纳米胶体动压空化射流抛光系统，并对其是否适合超光滑表面加工予以试验验证。　　　　1动压空化射流抛光加工机理2016全新精品资料-全新公文范文-全程指导写作–独家原创9/9精品文档　　　　被加工材料原子级去除机理　　动压空化射流抛光的原子级去除过程基本可以分为三个步骤：1.纳米胶体中羟基与被加工材料表面发生化学吸附；2.胶体中纳米颗粒表面氢氧根与吸附在工件材料表面的羟基发生化学键合；3.纳米颗粒离开工件表面时将工件表层原子带离工件表面。　　纳

3、米胶体溶液中存在很多具有很强成键能力和很强反应活性的羟基。当纳米胶体抛光液与被加工材料表面接触时，由于被加工表层原子未成键的电子的作用，抛光溶液中的羟基很容易与工件表层原子发生化学吸附。　　纳米2Sio颗粒表面上也存在大量孤立的或双生的羟基，当其以较高的速度与吸附在工件表面的羟基发生碰撞时，便会发生如式表示的化学反应　　polymerizationdecompound2Si-oH+oH-A←→Si-o-A+Ho纳米Sio2胶体颗粒与表面元素发生聚合反应后，胶体颗粒继续受到高速流体的作用，继而脱离工件表面。工件表面发生键合的原子与胶体颗粒表面的结合力大于工件表面原子与内层原子的

4、结合力，被纳米颗粒拖拽离开工件表面，被加工表面上材料的原子级去除得以实现。其过程可由表示。　　2016全新精品资料-全新公文范文-全程指导写作–独家原创9/9精品文档　　空化效应的影响机理　　空化现象是流动液体内局部压强降低发生汽化形成空泡的现象，空泡溃灭泡内热点温度能达到5200k，泡壁上的温度可以达到1900k，泡内压力能达到50mPa。如此极端的条件促使水分子分解为?oH和?H自由基，使得被加工面吸附?oH的概率大大增加。空化形成的微射流会为纳米颗粒提供额外的动能，使其有更高的概率与表层原子的发生键合。在淹没射流条件下,空化过程中气泡溃灭的冲击波和微射流会对其周围的物料

5、形成巨大的冲蚀作用,从而使物料粉碎。这样的环境不利于纳米胶体颗粒的团聚，提高抛光液的工作性能。对于已经发生键合的纳米颗粒，微射流能有效的使其脱离工件表面，带走工件原子。总而言之，空化现象所带来机械和化学作用的强化，对提高纳米颗粒胶体射流抛光加工效率的提高具有有利的作用。　　　　2实验设备　　2016全新精品资料-全新公文范文-全程指导写作–独家原创9/9精品文档　　试验设备如所示，整个系统可以分为三个部分：液压油循环系统，纳米胶体循环系统和工作台系统。液压油循环系统能够稳定的向外界输出设定压力的液压油，为纳米胶体循环系统提供压力。纳米胶体循环系统利用液压油提供压力，产生纳米胶

6、体空化射流。工作台系统包括精密转台和数控系统，可以实现μm的微驱动。工作时，首先向弹性气囊注入纳米胶体抛光液，完毕后启动液压油循环系统，液压油以设定压力流入弹性气囊装置，挤压气囊，为纳米胶体循环系统提供压力。气囊受到液压油挤压，其中纳米胶体抛光液被挤出，通过空化发生喷嘴形成空化射流喷射在被加工表面。试验设备中液压油供压系统与纳米胶体喷射系统相互隔离，避免了纳米胶体抛光液的污染。　　　　3空化发生装置　　　　空化发生装置选用旋转导叶喷嘴。旋转导叶喷嘴是在普通锥形喷嘴的基础上加装了旋转导叶装置，使得喷嘴内部液流紊乱，诱发空化现象。旋转导叶装置如图3所示。　　使用软件对普通锥形喷嘴

7、和试验所用旋转导叶喷嘴进行流场仿真，选择k?ε湍流模型，SImPLE压力耦合算法。液体密度设定为1150kg/m3，粘度为/，水蒸气密度为/m3,粘度为×10?5kg/。入口压力10mPa。模拟所得结果如图4所示。2016全新精品资料-全新公文范文-全程指导写作–独家原创9/9精品文档　　模拟结果显示：锥形喷嘴只在喷嘴喉部边缘形成一定量的空泡，在锥形喷嘴喉部产生的第二相含量为79%，外流场第二相含量很小，空化区范围不大。而旋转射流喷嘴在喷嘴收缩段边缘、射流中心低压区和射流两侧的漩涡区都出现了强空化区。喷