蓝宝石固相反应加工机理分析

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1、蓝宝石固相反应加工机理分析　　摘要：蓝宝石固相反应加工是利用单晶蓝宝石与软磨料发生固相反应，生成松软的反应层，再以机械方式去除该反应层的一种高效精密加工方法。研究表明，蓝宝石能够与SiO2、MgO、Fe2O3、CeO2及SiO2/ZnO/CeO2的混合磨料等在一定的条件下发生会固相反应，且固相反应速度受磨料的物质组成结构、颗粒尺寸、加工温度、压强、催化剂等因素的影响。蓝宝石固相反应加工机理的研究对实现蓝宝石超精密加工具有重要意义。　　关键词：单晶蓝宝石；固相反应；软磨料；加工机理　　DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.10.213　　

2、1引言　　蓝宝石（α-Al2O3）晶体因其具有硬度高（莫氏9级）、熔点高（2045℃）、透光性好、热稳定性好、化学性质稳定等优良特性，在国防、航空航天、工业以及生活等领域中得到广泛应用[1]。在蓝宝石晶体的这些应用中都需要对其表面进行精密和超精密加工，尤其在蓝宝石衬底片上生长GaN时，更是要求蓝宝石衬底表面达到超光滑、无损伤的程度[2-4]，但由于蓝宝石的硬度仅次于金刚石，研磨、抛光加工非常困难，加工时间长，加工效率低。蓝宝石晶体为典型的脆硬材料，传统加工方法主要是采用游离磨料进行研磨和抛光，以机械方式去除材料，在加工过程中容易造成表面刮痕和亚表面损伤层，而这些表面和

3、亚表面的损伤将会严重影响蓝宝石零件的使用性能，如作为蓝宝石光学零件的时，损伤层则会影响其光学特性，又如作为LED衬底片时，损伤层则会严重影响氮化镓膜的生长，从而影响LED灯的发光率和使用寿命[5-6]。为了满足对蓝宝石晶体应用发展的要求，获得高平整、超光滑、无损伤的表面，有必要对蓝宝石的机械化学加工进行研究，以实现蓝宝石晶片的超精密加工。　　蓝宝石固相反应加工是一种能够实现蓝宝石高效精密加工的机械化学加工方法，主要是利用加工过程中蓝宝石与软磨料间的摩擦作用使得接触区域温度逐渐升高，在温度和压力的耦合作用下，蓝宝石和软磨料在接触区发生固相反应，生成一层松软的反应层，然后

4、由软磨料以机械的方式去除[7]。作为一种高效精密的蓝宝石加工方法，近十多年来受到了广泛关注，大量学者进行了深入研究，本文将对蓝宝石晶体固相反应加工机理、加工效果及反应产物的检测等进行分析与总结。　　2蓝宝石固相反应加工机理分析　　2.1蓝宝石固相反应原理　　2.1.1蓝宝石与二氧化硅（SiO2）的固相反应　　蓝宝石与SiO2发生固相反应的条件是接触表面温度达到372～561k[8]，压强达到32kpa，其反应产物为富铝红柱石（也称为莫来石），反应方程如式（1）所示：　　Deng等人[5]用SiO2为磨料对蓝宝石晶片进行机械化学研磨抛光，实验结果表明，蓝宝石与SiO2磨

5、粒发生了固相反应，并且获得了较好的表面加工质量，表面粗糙度Ra达到6nm。邢星等人[6]研究以SiO2为磨料的蓝宝石化学机械抛光，分析了抛光过程中SiO2与蓝宝石固相反应的作用机制，实验结果表明，在抛光过程中蓝宝石与SiO2颗粒表面发生了固相反应，生成了硬度较小的硅铝酸盐。　　2.1.2蓝宝石与氧化镁（MgO）的固相反应　　蓝宝石与MgO发生固相反应的条件是接触表面温度达到375K[11]，压强达到27.5kPa，其固相反应产物为尖晶石，反应方程如式（2）所示：　　王军[7]用自制MgO磨料磨盘对蓝宝石晶片进行了磨抛实验发现，蓝宝石与MgO发生了固相化学反应，蓝宝石的

6、材料去除率达到12μm/h，表面粗糙度Ra为2nm。臧江龙[8]采用MgO磨料对蓝宝石晶片进行研磨发现，在研磨过程中蓝宝石与MgO发生了固相反应，能够实现13.2μm/h的蓝宝石材料去除率，且表面粗糙度Ra达到lnm以下。　　2.1.3蓝宝石与氧化铁（Fe2O3）的固相反应　　蓝宝石与Fe2O3发生固相反应的条件是接触表面温度达到340K[13]，压强达到25.4kPa，其固相反应的产物为铝铁固溶体，反应方程如式（3）所示：　　程国良[9]用自制Fe2O3磨盘对蓝宝石晶片进行抛光，实验结果表明，在抛光过程中蓝宝石与氧化铁发生了固相反应，蓝宝石的材料去除率可达到4.2μ

7、m/h，表面粗糙度Ra能够达到3.52nm。Zhang[14]等人用自制的含Fe2O3的软磨料砂轮在专用磨床上进行蓝宝石晶片的磨削实验，结果表明，在磨削过程中蓝宝石与氧化铁发生了固相反应，最终能获得无亚表面损伤的蓝宝石基片。　　2.1.4蓝宝石与氧化铈（CeO2）的固相反应　　蓝宝石与CeO2发生固相反应的条件是接触表面温度达到643k[15]，压强达到30.4kpa，其反应产物为铈铝复合氧化物，反应方程如式（4）所示：　　赵云鹤等人[10]采用添加氧化铈的磨料对蓝宝石晶片进行抛光发现，在抛光过程中蓝宝石与氧化铈发生固了相反应，材料去除率达到8.7μ