二氧化铈磨料浓度在熔融石英磁力流变抛光过程中表面微拓扑结构演化中的双重作用

《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》：Dual role of ceria abrasive concentration in surface microtopography evolution during magnetorheological finishing of fused silica

　　

摘要

磁流变抛光（MRF）是超精密光学元件制造中的关键工艺。磨料浓度在决定超光滑磁流变抛光（MRF）的效率与表面质量方面起着至关重要的作用，然而，其对界面摩擦材料去除行为及表面微形貌演化的影响仍有待深入研究。本文通过工艺实验、功率谱密度（PSD）分析以及对抛光力、流变性能和界面磨料含量的测量，探讨了这一机理。磨料浓度通过双重机制调控表面形貌。较多的磨料充当非磁性介质，降低剪切屈服应力，从而减小磨料的法向力和压入深度。同时，抛光带上磨料数量的增加增强了界面摩擦和活跃磨料颗粒的数量，而分散性的进一步提升则促使更多磨料更均匀地分布在表面，从而提升抛光效果并产生更均匀的表面纹理。通过优化磨料含量并采用超声分散，MRF抛光液实现了均方根粗糙度（RMS）0.23 nm和算术平均粗糙度（Ra）0.18 nm，材料去除率（MRR）达0.2709 mm3/min，约为无磨料抛光液（0.0821 mm3/min）的3.3倍。本研究为揭示MRF中微观界面材料去除机理提供了重要指导。

引言

超精密光学系统的快速发展，如激光点火装置[1]、深/极紫外光刻[2]、X射线光源[3]、激光精密制造[4]、[5]和高分辨率光谱仪[6]，对具有极高表面质量的光学元件产生了迫切需求，推动着制造向极精密方向发展[7]。高频误差，即表面粗糙度，会导致光学表面的大角度散射，引起光束散射损失和对比度下降。在短波光学中，该效应尤为显著[8]、[9]。先进的抛光技术，包括罩模抛光[10]、离子束抛光[11]、磁流变抛光[12]、弹性发射加工[13]、等离子体抛光[14]以及流体喷射抛光[15]、[16]，可有效改善表面粗糙度，从而降低散射损失，提高光束能量集中度与对比度，增强光学系统整体性能。其中，MRF作为计算机控制光学表面加工（CCOS）下的子孔径确定性柔性抛光技术，在复杂曲面光学元件的超精密加工中展现出独特优势，已广泛应用于熔融石英[17]、单晶硅[18]和碳化硅[19]等材料，实现了亚纳米级表面粗糙度。

MRF抛光液是材料去除的核心工具。在具有特殊工程材料与结构的磁体产生的磁场下[20]，磁性颗粒形成定向链状结构，诱导抛光液发生液-固转变，使其粘度和屈服强度显著增加[21]。同时，在磁场诱导力驱动下，非磁性纳米磨料向抛光带表面迁移，并被困在较大的磁性颗粒之间，从而实现表观材料的弹-塑性剪切去除[22]。

已有大量研究致力于降低MRF可实现的表面粗糙度。Liu等人[23]优化了熔融石英MRF工艺参数，最终实现了RMS 0.250 nm的光滑表面。Wang等人[24]采用受控螺旋抛光策略，将单方向去除函数转化为多方向去除函数，抑制了定向微纹理，将表面粗糙度降低至RMS 0.251 nm。研究者[25]、[26]采用振动辅助MRF，增强了磨料动能与运动随机性，从而提高单磨料去除量和微形貌随机性，有效降低表面粗糙度。

除了优化工艺参数和工具路径策略，调节MRF抛光液成分及颗粒界面特性也是提升超光滑抛光效果的有效途径。现有研究主要集中在两个方面：磁性颗粒表面改性和MRF抛光液分散稳定性调控。在磁性颗粒改性方面，Jiang等人[27]结合机器学习原子间势（MLIPs）与实验，通过氨基酸离子液体（AAILs）诱导的铁粉表面改性来调控流变性能，实现了RMS 0.298 nm的熔融石英光滑表面。研究者[28]、[29]用蓬松的二氧化硅层包覆铁粉，增强了耐腐蚀性和颗粒间摩擦，从而提高剪切屈服应力和稳定性，在更低表面粗糙度下实现了更高的去除效率。Wang等人[30]利用原子层沉积（ALD）技术，用20 nm的Al?O?层包覆MRF抛光液中的磁性颗粒，抑制团聚并改善分散性，在熔融石英上实现了RMS 0.259 nm的光滑表面。在分散性调控方面，Bai等人[31]在MRF抛光液中加入离子聚合物，抑制了金刚石磨料团聚和铁粉氧化，将熔融石英粗糙度从RMS 4.30 nm降低至RMS 1.02 nm。Peng等人[32]利用氨基葡萄糖和甲基甘氨酸二乙酸制备了高分散性MRF抛光液，通过络合溶解和吸附的双重作用，在铝合金镜面上实现了RMS 1.63 nm的光滑表面。

综上所述，优化工艺参数和抛光液成分是提高MRF表面粗糙度的两种主要方法。抛光液优化主要聚焦于增强铁粉和磨料的分散性，因为磨料良好的分散性是获得超光滑表面的关键——这一理念已在化学机械抛光（CMP）中得到了广泛验证[33]、[34]。然而，MRF与CMP在磨料的独特行为方面存在差异。部分磨料被困在磁性链状结构中，另一部分则分布在抛光带表面，直接参与材料去除，后者在材料去除效率和表面粗糙度方面起着主导作用。研究者[35]、[36]通过双相分子动力学模拟和实验揭示，MRF抛光液中的磨料在磁场下倾向于向表面迁移，且迁移磨料数量随磁场增强而增加。Song等人[37]指出，未迁移的磨料会嵌入磁性链状结构，影响抛光液在磁场下的流变行为。Ye等人[38]建立了MRF抛光液的多尺度表征方法，表明磨料分散性和磁场强度的改善促进了磨料向界面迁移，并利用电感耦合等离子体光发射光谱（ICP-OES）量化了界面磨料浓度。

尽管初步研究已探讨了MRF中活跃磨料的迁移机理，但对于磨料浓度、界面活跃磨料含量与表面微形貌演化之间内在关联和定量控制机制的系统性理解仍显不足。随着MRF技术向更高表面质量发展，该科学问题亟需进一步阐明。

本研究系统地探讨了氧化铈（CeO?）磨料含量在MRF抛光熔融石英过程中对表面微形貌演化的作用。通过改变磨料含量和分散状态，表征其对MRF抛光液流变性能、抛光带表面活跃磨料数量、材料去除率、界面摩擦及表面微形貌的影响。结果阐明了磨料含量如何调控界面材料去除和表面形貌演化。本工作为揭示MRF中微观去除机理提供了见解，并为实现包括熔融石英、单晶硅和碳化硅在内的硬脆光学材料的超光滑抛光提供了指导。

**片段：材料与实验装置**

本研究使用的材料为熔融石英（JGS1，中国），硬度为10.6 GPa，杨氏模量为72.3 GPa，试样直径为50 mm，初始平均粗糙度约为RMS 2.00 nm。

MRF抛光液主要由磁性颗粒、非磁性磨料和基础液组成。选用去离子水作为基础液，因其粘度低、无分子团聚且能与熔融石英发生化学相互作用。为防止磨料降解，……

**片段：抛光后表面微形貌**

图5展示了使用A~G号抛光液抛光后的表面粗糙度。随着磨料浓度从A号液增加到D号液，粗糙度相对于初始表面逐渐降低，RMS值从A号液的0.93 nm降至D号液的0.35 nm，Ra值从A号液的0.72 nm降至D号液的0.24 nm。进一步增加E~G号液的磨料浓度导致粗糙度略有上升后趋于稳定，表明过量的磨料……

**结论**

本研究结合抛光实验、PSD分析、抛光力测量、流变性能表征及抛光带表面定量分析，探讨了CeO?磨料含量及分散状态对熔融石英超光滑MRF的影响。主要结论总结如下：

(1) 磨料含量对熔融石英表面质量的影响由流变响应和有效界面磨料数量之间的相互作用决定。

**CRediT作者贡献声明**

Yingjie Lu：写作——审阅与编辑，写作——初稿，方法论，调查，形式化分析，数据整理，概念设计。
Minheng Ye：写作——审阅与编辑，方法论，调查。
Yunyi Qiu：调查。
Chao Xu：方法论。
Baichen Cai：调查。
Lu Liu：软件。
Yuchuan Chen：数据整理。
Yunfei Zhang：写作——审阅与编辑，资源提供。
Kuo Hai：写作——审阅与编辑，资源提供，项目管理。
Ming Huang：写作——审阅与……

**资金支持**

中国国家重点研发计划（项目编号：J0191-2627-QT / J0017-2326-QT）；国家自然科学基金（编号：52505535 / 52441509）

**利益冲突声明**

作者声明不存在可能影响本文所述工作的已知经济利益或人际关系冲突。

**致谢**

作者感谢中国国家重点研发计划（项目编号：J0191-2627-QT / J0017-2627-QT）和国家自然科学基金（编号：52505535 / 52441509）的资助。

Yingjie Lu | Minheng Ye | Yunyi Qiu | Chao Xu | Baichen Cai | Lu Liu | Yuchuan Chen | Yunfei Zhang | Kuo Hai | Ming Huang

中国工程物理研究院机械制造技术研究所，四川绵阳 621900，中国