离子束和等离子体加工(6页).doc
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1、-离子束和等离子体加工-第 6 页离子束和等离子体加工的原理和特点及这两种加工技术在高精度表面抛光中应用。1.离子束加工的基本原理所谓离子束抛光, 就是把惰性气体氩、氮等放在真空瓶中, 用高频电磁振荡或放电等方法对阴极电流加热, 使之电离成为正离子, 再用5千至10万伏高电压对这些正离子加速, 使它们具有一定的能量。利用电子透镜聚焦,将它们聚焦成一细束,形成高能量密度离子流,在计算机的控制下轰击放在真空室经过精磨的工件表面, 从其表面把工件物质一个原子一个原子地溅射掉。用这种方法对工件表面进行深度从100 埃到10微米左右的精密加工。2.等离子体加工的基本原理等离子体加工又称为等离子弧加工,是
2、利用电弧放电使气体电离成过热的等离子气体流束,靠局部熔化及气体去除材料的。等离子体又被成为物质的第四种状态。等离子体是高温电离的气体,它由气体原子或分子在高温下获得能量电离之后,理解成带正电荷的离子和带负电荷的自由电子,整体的正负离子数目和正负电荷仍相等,因此称为等离子体,具有极高的能量密度。3. 离子束加工主要的特点(1)属于原子级逐层去除加工,加工精度高 (2)加工生产污染小 (3)加工应力、变形小 (4)加工范围广(利用机械碰撞能量加工) (5)易实现自动化 (6)设备复杂、价格贵 4. 等离子体加工主要的特点由于等离子体电弧对材料直接加热,因而比用等离子体射流对材料的加热效果好得多。因
3、此,等离子体射流主要用于各种材料的喷镀及热处理等方面;等离子体电弧则用于金属材料的加工、切割以及焊接等。等离子弧不但具有温度高、能量密度大的优点,而且焰流可以控制。适当的调节功率大小、气体类型、气体流量、进给速度和火焰角度,以及喷射距离,可以利用一个电极加工不同厚度和多种材料。离子束抛光是 1965 年美国亚利桑那大学的工作人员发现并研制成功的。目前,美国离子光学公司、法兰克福兵工厂早已研制成功离子束抛光设备,并应用于生产。此外,日本、英国、法国等国也已开发和研究了这一新技术。从目前国内外研究现状来看,关于离子束抛光及整形的文献有很多研究涉及。材料从半导体 InP、Si、CuInSe2 到绝缘
4、体 SiC、AI2O3、CaF、CsLiBsOio、BK7 玻璃、焰石英等等,研究内容主要集中在不同材料的刻蚀速率、刻烛导致的损伤情况、表面粗糖度变化等总的来说,离子束抛光方法可以降低元件的表面粗糖度、改善表面质量,通过适当的控制离子能量、刻烛角度和束流密度等实验参数可实现对刻蚀速率进行优化,同时产生较低的损伤。(1) 高精度非球面光学零件的抛光 离子束抛光法的加工范围广,对工件尺寸没有严格控制,可加工球面、非球面和非对称形面。对外界环境的振动、温度变化以及装卡稳定性不敏感。一次加工过程既可实现对面形误差的完全修正,缩短制造周期。同时不会出现传统抛光方法中易出现的塌边、翘边的边缘效应。(2)离
5、子束抛光提高激光工作物质的性能休斯研究实验室用离子束抛光提高蓝宝石和红宝石等激光工作物质的性能。他们用加速电压为7千伏、电流密度为300 微安/厘米的低能离子束对经普通磨料抛光后的蓝宝石再进行2一4小时抛光, 去掉厚度约 一5微米的材料。用功率密度为1一9千兆瓦/厘米2的激光进行抗破坏试验, 发现经离子束抛光的工件比经普通抛光的工件的抗破坏阀值提高2一6倍。离子束抛光能去掉普通抛光后产生的划痕、应力、裂纹和表面残留的化学污染, 因而提高抗激光破坏闽值。 (3) 离子束抛光硅片采用离子束抛光法,在石英基底上可获得好于0.5nm(有效值)的表面粗糙度,在硅表面甚至可获得好于0.2nm(有效值)的表
6、面粗糙度。由于硅为晶体结构,与石英(一般为熔石英)相比,加工成光学元件后的尺寸比较稳定,所以硅材料作为反射镜基底使用较多,尤其在短波段(X射线、软X射线)光学领域,如X射线多层膜反射镜基底等。(4)超光滑超精密玻璃抛光 离子束抛光是20世纪末光学玻璃制造上的创新,1990年美国Eastman Kodak公司即研究了实用化的计算机控制的Kodak 2.5 m五束数控离子束抛光系统,将直径1.3 m熔融石英(ULF)镜面抛光,对直径1.3 m花瓣形离轴非球面镜加工精度达到0.01 mm。由于离子束抛光主要依靠溅射玻璃表面原子(离子)而抛除的,所以会引起玻璃表面成分、结构和折射率的变化,也会有表面残
7、余应力的产生,对折射率变化有严格要求的玻璃材料,要慎用此方法。等离子体加工技术是等离子体源与化学气相处理设备相结合的新技术,其工作原理是利用等离子体与工件表层材料发生化学作用去除材料。采用这种方法可以进行大面积平面抛光、局部抛光、非球面的成形和抛光等。采用此方法进行光学零件的加工,可以避免亚表面损伤层的出现,提高光学零件表面加工等级,实现高精密加工,该项技术包括真空等离子抛光和常压(大气压)下等离子抛光。涉及到光学加工、自动控制、等离子体物理、化学气相反应以及流体动力学等学科的相关内容,日本、美国已经开始了对该项技术的应用基础研究,并取得了初步的研究成果。(1) 真空等离子抛光应用 传统的真空
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