基于磁流變拋光法的光學元件拋光專利技術綜述

張歡

摘 要：磁流變拋光法是目前用于拋光光學元件的熱點技術。文章從基于磁流變拋光法的光學元件拋光的基本概念出發，統計和歸納了該技術領域的國內外專利文獻，梳理了該領域的技術發展脈絡，最后結合具體案例闡述了技術綜述在審查實踐中的應用。

關鍵詞：磁流；拋光法；專利

中圖分類號：T-18 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）20-0005-02

Abstract： Magnetorheological polishing is a hot technology used in polishing optical elements. In this paper， based on the basic concept of optical element polishing based on magnetorheological polishing method， the domestic and foreign patent literatures in this field is counted and summarized， and the technical development in this field is combed. Finally， based on specific cases， this paper expounds the application of technical review in the practice of inspection.

Keywords： magnetic current； polishing method； patent

1 概述

目前對光學元件的加工要求越來越高，例如碳化硅（SIC）作為第三代半導體材料的核心的光學晶片材料，是一種具有熱導率高、電子飽和漂移速率大等特點，因而被用于制作高溫、高頻、抗輻射集成電子器件，碳化硅晶片的應用要求表面超光滑、無損傷，其加工質量和精度直接影響到其器件的性能，但碳化硅的硬度僅次于金剛石，其莫氏硬度為9.2，用傳統的機械拋光法加工很難達到碳化硅晶片需要的精度[1]。

最早把磁流變效應應用于拋光的是前蘇聯傳熱傳質研究所的W.I.Kordonski、I.V.Prokhorov，他們于上世紀90年代初將電磁學流體動力學和分析化學相結合而提出一種新型的光學零件加工方法，即磁流變拋光技術（Magnetorheological Finishing，簡寫MRF），經過二十多年的發展，磁流變拋光技術已經成為碳化硅晶片等重要光學電子器件的主流拋光方法之一。相比國外成熟的磁流變拋光技術，國內對磁流變拋光技術的研究目前尚在基礎研究階段[1]。國外的在磁流變拋光領域的知名企業或科研機構包括：美國Rochester大學的光學制造中心，曾發明了磁流變射流加工方式；QED科技技術公司，研制出了QED系列磁流變拋光機，大大提高了拋光效率。國內的在磁流變拋光領域的知名企業或科研機構包括：中國科學院長春光學機械研究所，曾經申請了一種磁流變拋光裝置；哈爾濱工業大學，研制了適合于磁流變拋光的水基磁流變液；清華大學，開發了五軸聯動的磁流變拋光系統。

2 磁流變拋光法技術分支及各分支演進路線

基于磁流變拋光法的光學元件拋光技術分支如表1所示。

2.1 磁流變液的成分及配比技術演進路線和關鍵技術介紹

磁流變液的成分及配比這一技術分支，涉及磁流變液的拋光磨粒和磁性基體的種類，及各成分在拋光液中所占比例，這直接關系著光學元件實際拋光效果。圖1顯示了磁流變液的成分及配比技術在演進過程中主要涉及4種技術效果：（1）提高磁流變液體使用壽命；（2）便于清刷工件；（3）使拋光更精細；（4）減少工件表面劃傷。

對于第1種技術效果，普遍是通過使用新的基載液的材質，降低磁流變液的粘稠度，使其能更多次的循環使用。公開號為EP0703847B1的專利申請公開了一種有較低粘稠度的磁流變液的配方；公開號為CN101260279A的專利申請，以二甲基硅油代替水為基載液，使得磁流變液零磁粘度更低。另外一種能提高磁流變液體使用壽命的做法是多磨粒進行保護，這樣使得磨粒能更經久耐用，公開號為CN1725388A的專利申請公開了一種利用正硅酸乙酯水解反應包覆薄膜的技術。

對于第2種技術效果，由于在磁流變拋光中，經常會出現拋光磨料粘到工件上的情況，這導致了工件不易被清洗，而通過改進拋光液成分，能使工件易于被清洗。公開號為WO2008/066065A的專利申請在基液中包含水溶性多元醇，不含水和油，使得工件在拋光后容易被洗滌。公開號為JP特開2010-053529的專利申請，用PH調節劑使拋光物體間電位滿足特定關系，使工件清洗更加簡單。

對于第3種技術效果， 在磁流變拋光中，工件能達到的精度級別是衡量磁流變工藝效果的重要指標，在磁流變拋光中，普遍的工件加工后的精度級別能達到納米級，因此普遍的研究著重放在如何讓加工精度達到原子級別。以下幾篇代表性專利申請就從其它方面來改進磁流變液，從而提高工件加工精度。公開號為WO2011/144501A1的專利申請在磁流變液中加入了一種玻璃腐蝕液體，提前對玻璃類型的光學元件進行化學腐蝕加工，這樣之后進行的磁流變加工能更容易地磨削工件表面，提高加工精度。公開號為US2014/0020305的專利申請，提供一種改進的磁流變液，包含兩種不同粒徑的磨粒，其聲稱通過實驗得到這兩種粒徑的磨粒配合，拋光效果遠超單種粒徑的磁流變拋光液，可以使工件達到原子級光滑表面。

對于第4種技術效果，磁流變拋光液在拋光時由于其本身的磁流變效應的特點，容易出現對工件的劃傷，因此如何改進磁流變液以減少對工件的損傷也是磁流變液的研究方向之一。公開號為JP特開2014-141667A的專利申請中提出：研磨液中加入中和的鹽和螯合劑，能減少工件表面劃傷。公開號為JP特開2014-120189A的專利申請提出了在研磨液中添加水溶性聚合物可以有效地減少拋光時工件表面劃傷。

整體看來，自從公開號為SU1202834的專利文件作為磁流變拋光的基礎專利公開以來，對磁流變液的研究一直都未停止，針對如何提高上述4種技術效果的專利申請也一直貫穿著整個時間段。

2.2 工藝步驟技術演進路線和關鍵技術介紹

工藝步驟這一技術分支，是磁流變拋光方法的重要研究內容之一，工藝步驟的選擇和順序直接關系著實際拋光效果。工藝步驟技術在演進過程中主要涉及2種技術效果：（1）提高拋光效率；（2）提高工件加工精度。

對于第1種技術效果，磁流變加工由于其的加工精度較高，磨粒較細，因此加工時間很長，納米級加工通常需要數個小時，因此如何提高磁流變拋光時的效率，是研究的主要內容之一。公開號為US6297159B1的專利申請，在磨輪和工件之間直接噴入磁流變液，使磨削更加充分。

對于第2種技術效果，不同的工藝步驟對工件的加工精度影響較大。公開號為US8944883B2的專利申請，加入了可變磁場永磁體操作系統，使磁場的角度可變化，能根據工件實際進行調整，有利于提高工件加工精度。公開號為US2011/0028071A1的專利申請，通過電控系統實時控制，根據檢測指標實時控制磨削和流量，有利于提高對加工精度的控制。US8896293B2，在系統中增加了新型集成流體管理模塊，使磁流變液的流速穩定，有利于提高工件拋光精度。

整體看來，無論是提高加工效率還是加工精度，將多種方法結合進行拋光是現在的發展趨勢之一，同時將加工分塊，分級別，分別使用不同的拋光技術，無論對于提高加工效率還是加工精度都有顯著的幫助。

整體看來，針對不同種類的光學元件，拋光設備的結構各不相同，但對于同種光學元件，如平面晶片，其加工設備從剛開始即確定了基本構架，而后續的改進主要集中在設備的自動化，可調整性方面的改進，可以預見，這也是磁流變拋光設備將來發展的主流趨勢。

參考文獻：

[1]吳戰成.集群磁流變效應超光滑拋光加工過程研究[D].廣東工業大學，2011.

[2]楊仕清，彭斌，等.復合智能材料磁流變液的制備及流變性質研究[J].材料工程，2002（9）.

[3]Kordonski Wm I Adaptive Structures Based 0n Magnetorheological Fluids.Proc 3rd Int Cone Adaptive Struct，edWada，Natori and Breitbach，San Diego，CA，1992.13.17.

[4]孫希威，康桂文，等.磁流變液拋光去除模型及駐留時間算法研究[J].機械加工工藝與裝備，2006.