光电协同催化耦合胶体射流加工超光滑表面的方法技术

光电协同催化耦合胶体射流加工超光滑表面的方法，纳米颗粒胶体喷射系统包括增压泵及电机组、流量控制阀、流量表、压力表及液压控制开关等；光催化光路组件包括可见光光源、两端带准直镜的光纤、导电玻璃镜片、可见光触发的纳米颗粒胶体等；电催化组件包括正极、负极和外置电源。其中导电玻璃镜片与所述电催化组件正极连接形成阳极，旋转工作台上的金属铜板电极与所述电催化组件负极连接形成阴极。光电协同催化喷嘴将纳米颗粒胶体喷射系统、光催化光路组件、电催化组件有机连接成一个整体，在光电协同催化作用下，胶体抛光液中的纳米颗粒与工件表面发生充分的界面反应，从而实现半导体、光学玻璃及金属等工件表面材料的高效纳米级超光滑表面抛光。

【技术实现步骤摘要】
光电协同催化耦合胶体射流加工超光滑表面的方法
本专利技术涉及一种光电协同催化耦合胶体射流加工超光滑表面的方法。
技术介绍
在光学系统、纳米电路、化学生物传感器、医疗检测诊断及生物成像等领域对超光滑无损伤表面元器件有巨大应用需求，如在高精度的光学测试系统、软X射线光学系统及高能激光系统中需要使用具有极低的表面粗糙度和极高的面形精度的光学元件来保证高反射率和低散射特性；在超大规模集成电路中具有超光滑无损伤表面的基体可以保证获得更小尺度的特征线宽；在光波导、微透镜及微透镜阵列等微纳光学器件中通过保证微纳结构和器件具有极其精确的特征物理尺度及完整的表面晶格结构从而获得特殊的纳米尺度所独有的量子效应、尺寸效应及激子效应等与宏观器件特性显著不同的新颖特质。因此，在现代高精尖领域需要纳米、亚纳米尺度的加工技术来实现超光滑无损伤元器件的新特性。在现有的超光滑表面抛光加工过程中，已广泛使用具有高比表面积和表面能的纳米颗粒作为抛光磨料来实现工件表面的超光滑表面抛光。在先技术中，张飞虎、宋孝宗[1]等人在应用纳米胶体射流抛光元件表面的方法（公开号CN101462256，公开日：2009.06.24）中提出了一种应用纳米胶体射流抛光元件表面的方法。但是，该技术应用纳米胶体射流抛光元件表面的方法存在材料去除效率低的缺点。张勇、张飞虎、宋孝宗[2]等人在胶体液流动压空化射流抛光装置及方法（公开号CN101670556，公开日：2010.03.17）中提出利用空化射流的方法提高纳米颗粒胶体射流的材料去除率，但由于在射流过程中空化效应产生的随机性，以及空化点的高温高压特性，使得其加工去除特性及加工表面质量存在不可控因素。宋孝宗[3]等人在紫外光诱导纳米颗粒胶体射流加工超光滑表面的方法（公开号CN103286694A，公开日：2013.09.11）中提出利用在紫外光场与胶体射流动压场耦合作用下纳米颗粒与加工表面间的光化学反应、界面化学反应以及胶体射流产生的剪切粘滞作用实现对工件表面材料的亚纳米级去除。但该方法一方面紫外光的穿透力不足，在光路传输中大量的紫外光被阻挡和消耗，利用率不高；另一方面，紫外光诱导产生的大量的光生电子-空穴对在胶体射流束中会快速复合，因此很大程度影响了该方法的光催化效果；再一方面，在该方法加工过程中需要对操作人员进行特别的紫外防护，增加了成本和使用的不方便性。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种光电协同催化耦合胶体射流加工超光滑表面的方法。本专利技术是光电协同催化耦合胶体射流加工超光滑表面的方法，其步骤为：进行抛光液配制，并用超声波对所配胶体抛光液分散20分钟，获得分散性稳定的纳米颗粒胶体抛光液并将其装入抛光液容器2内；将被加工工件15安装在光电催化反应室10中的旋转工作台17上；启动可见光光源13产生可见光束，可见光束经过两端带准直镜的光纤后以近似平行光照射在导电玻璃镜片11表面后进入光电协同催化喷嘴8的型腔内并聚焦于光电协同催化喷嘴口；与此同时，通过增压泵及电机组3给纳米颗粒胶体加压，通过流量控制阀4控制胶体流量并通过流量表5及压力表6显示纳米颗粒胶体喷射系统的流量和压力，通过液压控制开关7使高压纳米颗粒胶体进入光电协同催化喷嘴9型腔内，与进入光电协同催化喷嘴型腔内的可见光光束发生耦合，同时接通电催化组件电源18的正极和负极，经光电协同催化喷嘴形成光电耦合纳米颗粒胶体射流束14并将其喷射在被加工工件15的待加工表面，光电耦合纳米颗粒胶体抛光液充满导电玻璃镜片11与工作台上的铜板电极16之间的间隙并产生回路；在光电协同催化作用下，胶体抛光液中的纳米颗粒与工件表面发生界面反应，从而实现工件表面材料的高效去除；通过工控机1控制数控多轴工作台9及旋转工作台17使光电协同催化喷嘴8被加工工件15按所需轨迹运动，从而实现工件表面材料的高效可控去除。本专利技术利用在可见光场、电场及胶体射流动压场多场协同耦合作用下的荷能纳米颗粒与加工表面间的界面化学反应及胶体射流的剪切粘滞作用实现对被加工工件表面材料原子的高效去除。可显著提高材料表面原子的去除率，提高超光滑表面制造的效率，适用于对光学玻璃、半导体材料等脆硬材料进行高效超光滑表面加工。附图说明图1为光电协同催化耦合胶体射流加工系统示意图，附图标记及对于名称为：1、工控机，2、抛光液容器，3、增压泵及电机组，4、流量控制阀，5、流量表，6、压力表，7、液压控制开关，8、光电协同催化喷嘴，9、数控多轴工作台，10、光电催化反应室，11、导电玻璃镜片，12、两端带准直镜的光纤，13、可见光光源，14、光电耦合纳米颗粒胶体射流束，15、被加工工件，16、铜板电极，17、旋转工作台，18、电催化电源，19、纳米颗粒胶体抛光液活化装置。具体实施方式如图1所示，本专利技术是光电协同催化耦合胶体射流加工超光滑表面的方法，其步骤为：进行抛光液配制，并用超声波对所配胶体抛光液分散20分钟，获得分散性稳定的纳米颗粒胶体抛光液并将其装入抛光液容器2内。将被加工工件15安装在光电催化反应室10中的旋转工作台17上；启动可见光光源13产生可见光束，可见光束经过两端带准直镜的光纤后以近似平行光照射在导电玻璃镜片11表面后进入光电协同催化喷嘴8的型腔内并聚焦于光电协同催化喷嘴口；与此同时，通过增压泵及电机组3给纳米颗粒胶体加压，通过流量控制阀4控制胶体流量并通过流量表5及压力表6显示纳米颗粒胶体喷射系统的流量和压力，通过液压控制开关7使高压纳米颗粒胶体进入光电协同催化喷嘴9型腔内，与进入光电协同催化喷嘴型腔内的可见光光束发生耦合，同时接通电催化组件电源18的正极和负极，经光电协同催化喷嘴形成光电耦合纳米颗粒胶体射流束14并将其喷射在被加工工件15的待加工表面，光电耦合纳米颗粒胶体抛光液充满导电玻璃镜片11与工作台上的铜板电极16之间的间隙并产生回路。在光电协同催化作用下，胶体抛光液中的纳米颗粒与工件表面发生界面反应，从而实现工件表面材料的高效去除。通过工控机1控制数控多轴工作台9及旋转工作台17使光电协同催化喷嘴8及被加工工件15按所需轨迹运动，从而实现工件表面材料的高效可控去除。本专利技术是光电协同催化耦合胶体射流加工超光滑表面的方法，其技术解决方案如下：（1）使用波长在380～780nm的可见光作为反应激励光源。其中，光源包括但不限于太阳光、氙灯、碘钨灯、白炽灯、金属卤化物灯或其他发射可见光的光源。打开可见光激励光源，产生的可见光经两端带准直镜的光纤后以近似平行光束进入光电协同催化喷嘴，经过导电玻璃镜片后聚焦于光电协同催化喷嘴的喷嘴口。所述可见光束的光斑直径范围为0.1～10mm，优选0.2～2mm；光斑辐照强度范围为0.01～500mW/cm2，优选10～200mW/cm2。（2）使用的电催化组件包括正极、负极和外置电源。其中所述电催化组件外置电源电压为直流24V，电流调节范围在0.1～100.0A。所述电催化组件正极与光电协同催化喷嘴中的导电玻璃镜片连接形成阳极，所述电催化组件负极与工作台上的铜金属板连接形成阴极。其中本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.光电协同催化耦合胶体射流加工超光滑表面的方法，其特征在于，其步骤为：/n进行抛光液配制，并用超声波对所配胶体抛光液分散20分钟，获得分散性稳定的纳米颗粒胶体抛光液并将其装入抛光液容器（2）内；/n将被加工工件（15）安装在光电催化反应室（10）中的旋转工作台（17）上；启动可见光光源（13）产生可见光束，可见光束经过两端带准直镜的光纤后以近似平行光照射在导电玻璃镜片（11）表面后进入光电协同催化喷嘴（8）的型腔内并聚焦于光电协同催化喷嘴口；/n与此同时，通过增压泵及电机组（3）给纳米颗粒胶体加压，通过流量控制阀（4）控制胶体流量并通过流量表（5）及压力表（6）显示纳米颗粒胶体喷射系统的流量和压力，通过液压控制开关（7）使高压纳米颗粒胶体进入光电协同催化喷嘴（9）型腔内，与进入光电协同催化喷嘴型腔内的可见光光束发生耦合，同时接通电催化组件电源（18）的正极和负极，经光电协同催化喷嘴形成光电耦合纳米颗粒胶体射流束（14）并将其喷射在被加工工件（15）的待加工表面，光电耦合纳米颗粒胶体抛光液充满导电玻璃镜片（11）与工作台上的铜板电极（16）之间的间隙并产生回路；/n在光电协同催化作用下，胶体抛光液中的纳米颗粒与工件表面发生界面反应，从而实现工件表面材料的高效去除；/n通过工控机（1）控制数控多轴工作台（9）及旋转工作台（17）使光电协同催化喷嘴（8）及被加工工件（15）按所需轨迹运动，从而实现工件表面材料的高效可控去除。/n...

【技术特征摘要】
1.光电协同催化耦合胶体射流加工超光滑表面的方法，其特征在于，其步骤为：
进行抛光液配制，并用超声波对所配胶体抛光液分散20分钟，获得分散性稳定的纳米颗粒胶体抛光液并将其装入抛光液容器（2）内；
将被加工工件（15）安装在光电催化反应室（10）中的旋转工作台（17）上；启动可见光光源（13）产生可见光束，可见光束经过两端带准直镜的光纤后以近似平行光照射在导电玻璃镜片（11）表面后进入光电协同催化喷嘴（8）的型腔内并聚焦于光电协同催化喷嘴口；
与此同时，通过增压泵及电机组（3）给纳米颗粒胶体加压，通过流量控制阀（4）控制胶体流量并通过流量表（5）及压力表（6）显示纳米颗粒胶体喷射系统的流量和压力，通过液压控制开关（7）使高压纳米颗粒胶体进入光电协同催化喷嘴（9）型腔内，与进入光电协同催化喷嘴型腔内的可见光光束发生耦合，同时接通电催化组件电源（18）的正极和负极，经光电协同催化喷嘴形成光电耦合纳米颗粒胶体射流束（14）并将其喷射在被加工工件（15）的待加工表面，光电耦合纳米颗粒胶体抛光液充满导电玻璃镜片（11）与工作台上的铜板电极（16）之间的间隙并产生回路；
在光电协同催化作用下，胶体抛光液中的纳米颗粒与工件表面发生界面反应，从而实现工件表面材料的高效去除；
通过工控机（1）控制数控多轴工作台（9）及旋转工作台（17）使光电协同催化喷嘴（8）及被加工工件（15）按所需轨迹运动，从而实现工件表面材料的高效可控去除。


2.根据权利要求1所述的光电协同催化耦合胶体射流加工超光滑表面的方法，其特征在于所述的纳米颗粒胶体喷射系统采用的增压泵及电机组为电动机驱动液压隔膜泵，其增压范围为0.1～50MPa，优选1～10Mpa；纳米颗粒胶体喷射系统通过光电协同催化喷嘴形成光电协同催化耦合纳米颗粒胶体射流束，所述光电协同催化耦合纳米颗粒胶体射流束其喷射速度为2～150m/s，优选10～50m/s。


3.根据权利要求1所述的光电协同催化耦合胶体射流加工超光滑表面的方法，其特征在于所述可见光光源的波长范围在380～780nm，所述光源包括但不限于太阳光、氙灯、碘钨灯、白炽灯、金属卤化物灯或其他发射...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋孝宗，王继波，
申请(专利权)人：兰州理工大学，
类型：发明
国别省市：甘肃;62