Полное руководство по холодной обработке оптики
2026-01-23
Технологический процесс холодной обработки оптики
Этап 1: Фрезерование (грубая шлифовка)
Предназначено для удаления неровностей, поверхностных пузырьков и примесей с поверхности линзы (снимается слой около 0.05–0.08), а также для придания изделию первичной формы.
Этап 2: Тонкая шлифовка
Устраняет нарушенный (разрушенный) слой, образовавшийся после фрезерования, и фиксирует значение радиуса кривизны (R).
Этап 3: Полировка
Повторная обработка линзы после тонкой шлифовки. Данная операция направлена в основном на улучшение внешнего вида и достижение требуемой чистоты поверхности.
Этап 4: Промывка
Очистка поверхности линзы от остатков полировального порошка после полировки для предотвращения образования пятен и коррозии (эффекта «выщелачивания»).
Этап 5: Центрирование (обточка)
Шлифование внешнего диаметра исходной линзы до заданного размера с обеспечением совпадения оптической и геометрической осей.
Этап 6: Нанесение покрытия
Нанесение одного или нескольких слоев цветной пленки или других функциональных покрытий на поверхность линзы в соответствии с требованиями.
Этап 7: Чернение
Нанесение слоя черной краски на внешний край (ободок) линзы для предотвращения паразитных отражений и бликов.
Этап 8: Склейка
Соединение с помощью оптического клея двух линз, имеющих одинаковый внешний диаметр, изготовленных из соответствующих материалов и имеющих сопряженные (противоположные) значения радиуса кривизны (R).
Специальные процессы:
Групповая обработка (обработка в блоках), обработка малых сферических поверхностей (на многошпиндельных станках), проволочная резка.
Примечание:
В зависимости от конкретной технологии производства последовательность операций может незначительно отличаться, например, может меняться порядок выполнения чернения и склейки.
Технология полировки стеклянных линз
Полировка выполняется с помощью полировального станка с использованием полировального порошка или полировальной суспензии. Необходимо задать такие параметры, как время полировки, давление и другие. После полировки следует немедленно произвести промывку (можно методом погружения), в противном случае полировальный порошок затвердеет на стекле, оставив следы.
1.Материалы полировальных порошков
Полировальные порошки обычно состоят из таких компонентов, как оксид церия, оксид алюминия, оксид кремния, оксид железа, оксид циркония, оксид хрома и др. Различные материалы имеют разную твердость и химические свойства в водной среде, поэтому сферы их применения различаются. Твердость оксида алюминия и оксида хрома по шкале Мооса составляет 9, оксида церия и оксида циркония — 7, оксида железа — ниже. Оксид церия обладает высокой химической активностью по отношению к силикатному стеклу и сопоставимой твердостью, поэтому он широко используется для полировки стекла.
Для увеличения скорости полировки оксидом церия в порошок часто добавляют фтор, что повышает скорость съема материала. Смешанные редкоземельные полировальные порошки с низким содержанием церия обычно содержат 3–8% фтора; чистый полировальный порошок оксида церия, как правило, не содержит фтора.
Для стекол серий ZF или F, поскольку они обладают меньшей собственной твердостью и высоким содержанием фтора в самом материале, рекомендуется выбирать полировальные порошки, не содержащие фтора.
2.Зернистость оксида церия
Чем крупнее зернистость оксида церия, тем выше его режущая способность и тем лучше он подходит для твердых материалов. Для стекол ZF следует использовать более тонкий полировальный порошок. Следует отметить, что для всех видов оксида церия существует проблема распределения частиц по размерам: средний диаметр частиц или медианный диаметр D50 определяет только скорость полировки, тогда как максимальный диаметр частиц Dmax определяет точность полировки (качество поверхности). Поэтому для достижения высоких требований к точности необходимо контролировать размер максимальных частиц полировального порошка.
3.Твердость полировального порошка
Истинная твердость полировального порошка зависит от материала. Например, твердость оксида церия составляет около 7 по шкале Мооса, и различные виды оксида церия имеют примерно одинаковую твердость. Однако ощущение разной твердости от разных порошков оксида церия возникает из-за того, что они обычно представляют собой агломераты. Разумеется, в некоторые полировальные порошки добавляют более твердые материалы, такие как оксид алюминия, что повышает проявляемую скорость съема материала и износостойкость.
4.Концентрация полировальной суспензии
Концентрация суспензии в процессе полировки определяет скорость обработки: чем выше концентрация, тем выше скорость полировки. При использовании мелкозернистого полировального порошка концентрацию суспензии следует соответствующим образом снизить.
Полировка линз
После тонкой шлифовки оптической линзы абразивной суспензией на ее поверхности остается трещиноватый (нарушенный) слой толщиной около 2–3 µm. Метод устранения этого слоя называется полировкой. Механизм полировки аналогичен шлифовке, отличие заключается в используемом инструменте и полировальной жидкости (slurry). Материалы, используемые для полировки, включают сукно (cloth), полиуретан (polyurethane) и полировальную смолу (pitch). Обычно для получения высокоточной полированной поверхности используется высококачественная полировальная смола. Полировка с использованием смолы происходит за счет ее мелкозернистой поверхности, которая увлекает полировальную жидкость для обработки поверхности линзы. В результате трения выделяется тепло, стекло размягчается и течет (пластическое течение), расплавляя грубые вершины и заполняя впадины трещин, постепенно удаляя трещиноватый слой.
В настоящее время основным полировальным порошком для стеклянных линз является оксид церия (CeO2). Пропорции приготовления полировальной жидкости варьируются в зависимости от стадии полировки линзы. Как правило, на начальном этапе полировки и при притирке полировальника используется суспензия с более высокой концентрацией. После того как поверхность линзы становится блестящей, переходят на суспензию с более низкой концентрацией, чтобы избежать эффекта «апельсиновой корки» (помутнения поверхности линзы).
В полировке и шлифовке используются одинаковые кинематические механизмы, но помимо различий в инструментах и рабочих жидкостях, условия окружающей среды при полировке должны быть более строгими, чем при шлифовке. При полировке необходимо обращать внимание на следующее:
1.На поверхности полировальной смолы и в полировальной жидкости не должно быть примесей, иначе это приведет к царапинам на поверхности линзы.
2.Поверхность полировальной смолы должна точно соответствовать поверхности линзы (совпадать по кривизне), иначе при полировке возникнет биение, что приведет к захвату полировального порошка и появлению царапин на поверхности.
3.Перед полировкой необходимо убедиться, что на поверхности линзы отсутствуют царапины или выколки (точечные дефекты), оставшиеся после шлифовки.
4.Размер и материал полировального инструмента должны быть подобраны правильно.
5.Твердость и толщина слоя смолы должны быть соответствующими.
6.В процессе полировки необходимо постоянно следить за состоянием поверхности линзы и проверять точность. При проверке дефектов поверхности линзы, поскольку процесс контроля основан на личном визуальном восприятии и методах проверяющего, контролер должен иметь глубокое понимание стандартов на царапины и выколки (питинги) и регулярно сверяться со стандартными образцами (эталонами) дефектов для обеспечения правильности контроля.
Подробное описание технологического процесса холодной обработки оптики
1.Полировальный порошок
1.1 Требования к полировальному порошку a. Зернистость должна быть равномерной, твердость — немного выше твердости обрабатываемого материала; b. Порошок должен быть чистым и не содержать примесей, способных вызвать царапины; c. Должен обладать определенной формой кристаллической решетки и дефектами, а также соответствующей самозатачиваемостью; d. Должен обладать хорошей дисперсностью (способностью к рассеиванию) и адсорбцией; e. Должен обладать хорошей химической стабильностью и не вызывать коррозию заготовки.
1.2 Виды и свойства полировальных порошков Наиболее часто используемыми полировальными порошками являются оксид церия (CeO2) и оксид железа (Fe2O3, крокус). a. Полировальный порошок оксида церия: Частицы имеют полигональную форму с четко выраженными гранями. Средний диаметр составляет около 2 мкм, твердость по шкале Мооса 7–8, удельный вес около 7.3. В зависимости от технологии производства и содержания оксида церия, порошок может быть белым (содержание более 98%), бледно-желтым, коричнево-желтым и др. b. Полировальный порошок оксида железа (известный как крокус): Частицы имеют сферическую форму, размер частиц около 0.5–1 мкм, твердость по шкале Мооса 4–7, удельный вес около 5.2. Цвет варьируется от желто-красного до темно-красного. Вывод: Оксид церия обладает более высокой эффективностью полировки по сравнению с крокусом, однако для деталей с повышенными требованиями к чистоте поверхности (шероховатости) использование крокуса дает лучший результат.
2.Материалы слоя полировальника (подложки) Обычно используемыми материалами для слоя полировальника являются полировальная смола и волокнистые материалы.
2.1 Полировальная смола Полировальная смола (также называемая полировальным пеком/битумом) изготавливается из канифоли и битума (асфальта), смешанных в различных пропорциях. Используется для прецизионной полировки оптических деталей.
2.2 Волокнистые материалы При полировке оптических заготовок, если требования к точности формы поверхности (интерференционным кольцам/N) невысоки, в качестве материала слоя полировальника часто используют сукно, войлок и другие волокнистые материалы.
3. Часто используемые измерительные приборы
Некоторые качественные показатели оптических деталей, такие как радиус кривизны линзы или угол призмы, требуют измерения с помощью специальных приборов. К часто используемым приборам относятся: оптический гониометр, лазерный плоский интерферометр, сферометр и теневой прибор (метод ножа Фуко).
4. Полировка
В процессе полировки необходимо добавлять соответствующее количество полировальной жидкости (суспензии).
Слишком малое количество приводит к уменьшению числа частиц порошка, участвующих в работе, что снижает эффективность полировки.
Слишком большое количество приводит к тому, что часть частиц не участвует в работе, а большой объем жидкости снижает температуру поверхности стекла, что также влияет на эффективность полировки.
Концентрация полировальной жидкости также должна быть оптимальной:
Слишком низкая концентрация (слишком много воды): уменьшается количество рабочих частиц порошка и снижается температура поверхности стекла, что снижает эффективность.
Слишком высокая концентрация (мало воды): влияет на давление полировки, порошок не может быстро и равномерно распределиться, что приводит к неравномерному давлению на различных участках и локальному переполировыванию. Это негативно сказывается на качестве интерференционной картины (полос/колец). Кроме того, снижается давление на единицу площади и эффективность, а шлам, образующийся в процессе полировки, не удаляется должным образом, делая поверхность заготовки шероховатой.
Обычно в начале полировки используют более концентрированную суспензию, а к концу процесса — более жидкую, с меньшим количеством добавлений. Это способствует повышению эффективности полировки и улучшению чистоты поверхности. Кроме того, считается, что кислотность (pH) полировальной жидкости должна поддерживаться в диапазоне 6–8, в противном случае поверхность стекла может подвергнуться коррозии, что повлияет на чистоту поверхности.
Если при проверке интерференционной картины (колец/полос) в процессе полировки обнаружено несоответствие, его можно исправить, регулируя скорость вращения и давление станка, относительную скорость заготовки и инструмента (нижнего шпинделя), относительное смещение, скорость осцилляции (хода штриха) и корректируя слой полировальника.
a. Увеличение скорости вращения главного шпинделя повышает интенсивность полировки в зоне контакта края с верхним звеном. Опыт показывает, что слишком высокая скорость повышает температуру полируемой поверхности, что снижает твердость слоя полировальной смолы и влияет на эффективность корректировки колец.
b. Увеличение нагрузки (давления) повышает интенсивность полировки во всей зоне контакта полировальника и заготовки, но также повышает температуру поверхности, снижая твердость смолы.
c. Увеличение величины смещения поводка (верхнего шпинделя) позволяет одновременно корректировать центральную зону верхнего звена и краевую зону нижнего звена.
d. Увеличение амплитуды качания (хода штриха) и скорости качания ускоряет полировку центральной части верхнего звена и краевой части нижнего звена.
e. Нарезка канавок уменьшает площадь поверхности, воспринимающей давление, и поверхность трения, поэтому эффективность полировки нижнего звена в зонах с канавками снижается. И наоборот, в зонах без канавок эффективность несколько возрастает. Равномерная нарезка канавок позволяет обеспечить соответствие текучести полировальной смолы кривизне поверхности заготовки. В то же время это позволяет увеличить содержание полировальной жидкости, облегчая ее проникновение в поверхность полировальника и повышая эффективность, а также снижает нагрузку на привод станка.
В заключение, для контроля и стабилизации условий полировки в рабочем помещении должны поддерживаться относительно стабильная температура (около 25°C) и влажность (относительная влажность 60–70%).
Влияние шлифовки или полировки на коррозию оптических линз
Коррозия оптического стекла — это вид химической коррозии, сопровождающий весь процесс полировки оптического стекла и последующие этапы после снятия с блока. Она возникает под воздействием таких факторов, как кислотность и щелочность полировального порошка и воды, тенденция полировальной жидкости становиться щелочной при длительном использовании, а также воздействие влажного воздуха и кислых газов в окружающей среде. Следовательно, коррозию оптического стекла можно рассматривать как химический процесс. Очевидно, что применения защитных мер только после снятия с полировального блока недостаточно; необходимые меры защиты следует предпринимать непосредственно в процессе полировки.
Проблема коррозии таких стекол, как ZF, ZBaF, LaK, в процессе полировки и после нее долгое время влияла на качество обработки и эффективность производства деталей из этих материалов. Благодаря исследованиям стабильности оптического стекла в процессе полировки и производственным экспериментам, были разработаны и отобраны сравнительно идеальные добавки для полировки. Добавление соответствующих регуляторов pH и стабилизаторов поверхности в полировальную жидкость для химически нестойких стекол (серий ZK, ZF, ZBaF, LaK) позволило уменьшить проблемы коррозии, значительно улучшить качество полированной поверхности и процент выхода годной продукции, а также повысить эффективность и технологический уровень обработки оптических деталей.
I. Введение
Коррозия оптического стекла сопровождает весь процесс полировки и последующие операции. Это химический процесс, зависящий от pH абразивов и воды, изменения свойств полировальной суспензии со временем (защелачивание), а также от условий окружающей среды (влажность, кислые газы). Принятие защитных мер только на этапе после полировки недостаточно. С ростом спроса на оптические приборы среднего и высокого класса все чаще используются химически нестойкие стекла марок ZK, ZF, ZBaF, LaK, что делает проблему коррозии еще более актуальной. Основываясь на понимании химического воздействия в процессе полировки, помимо выбора рациональных технологических параметров, необходимо принимать активные меры защиты: добавление регуляторов pH и стабилизаторов поверхности в полировальную жидкость создает благоприятные условия для обработки. В сочетании с защитными мерами после снятия с блока это позволяет надежно решить проблему коррозии и достичь хороших результатов.
II. Коррозия оптического стекла и ее проявления
Водостойкость оптического стекла, а также его устойчивость к воздействию кислот, щелочей и других сред, в основном зависит от химической стабильности стекла, которая, в свою очередь, определяется его составом, структурой и содержанием SiO2. Однако более непосредственной причиной коррозии в процессе полировки является влияние кислотности или щелочности полировальной жидкости, а после снятия с полировальника — воздействие влажного окружающего воздуха и кислотных газов.
Гидролиз стекла можно рассматривать как реакцию гидратации и гидролиза силикатов на поверхности стекла, в результате которой происходит замещение (выщелачивание) ионов щелочных или щелочноземельных металлов. В итоге на поверхности стекла образуются гель кремниевой кислоты (силикагель), гидроксиды, карбонаты и др.
Na2SiO3 + 2H2O = H2SiO3 + 2NaOH
2NaOH + CO2 = Na2CO3 + H2O
BaSiO3 + 2H2O = H2SiO3 + Ba(OH)2
Пленка геля кремниевой кислоты, образующаяся в щелочном растворе, замедляет эрозию водой. Однако эта пленка часто бывает пористой или растрескивается, в результате чего щелочь, концентрирующаяся в растворе, продолжает разрушать структурную сетку стекла. Если содержание SiO2 высокое, кремнекислородные тетраэдры [SiO4] имеют высокую степень связности, большое количество связей и высокую энергию связи, что делает сетчатую структуру прочной и устойчивой к водной эрозии. Поэтому оптические стекла с высоким содержанием SiO2 обладают хорошей химической устойчивостью; и наоборот, стекла с низким содержанием SiO2 и высоким содержанием оксидов щелочных или щелочноземельных металлов имеют низкую химическую устойчивость и крайне подвержены коррозии.
Результатом коррозии может быть: в легких случаях — изменение состава поверхности стекла, появление налета из гидроксидов, геля кремниевой кислоты или карбонатов; в тяжелых случаях — разрушение структурной сетки стекла.
Рассмотрим в качестве примера оптические стекла ZF6 и ZBaF3, которые подвержены серьезной коррозии. В обоих типах стекол содержание SiO2 составляет всего около 30%, при этом содержание PbO и BaO, снижающих водостойкость, значительно превышает показатели обычных оптических стекол, что предопределяет их низкую химическую стабильность.
В оптическом стекле ZF6 содержание PbO превышает 65%, что значительно снижает его водостойкость. В процессе полировки под воздействием воды или после снятия с полировальника под воздействием влажного воздуха на его поверхности образуется Pb(OH)2.
PbSiO3 + H2O = Pb(OH)2 + H2SiO3
Pb(OH)2 является очень слабым основанием (или амфотерным соединением), малорастворимым в воде, поэтому концентрация ионов OH- в растворе гидролиза невелика. Следовательно, коррозия стекла ZF в воде протекает медленно и не является критичной. Однако под воздействием восстановителей, таких как Na2SiO3 (силикат натрия), на поверхности таких свинцовых стекол появляется «свинцовая пленка» — тусклый матовый налет.
В оптическом стекле ZBaF3 содержание BaO превышает 46%, а в стекле ZK11 — 48.9%. Водостойкость этих стекол значительно снижена. В процессе полировки под воздействием воды или влажного воздуха с кислотными примесями ионы Ba++ образуют вещества, легко растворимые в воде или кислотах; при гидролизе таких стекол образуется Ba(OH)2.
BaSiO3 + 2H2O = Ba(OH)2 + H2SiO3
Ba(OH)2 + H2CO3 (H2O + CO2) = BaCO3 + 2H2O
Ba(OH)2 является более сильным основанием, чем Ca(OH)2, и обладает большей растворимостью в воде. Это означает, что в растворе гидролиза стекол ZK и LaK присутствует большое количество ионов OH-. Эти ионы OH- атакуют связи Si-O в структурной сетке стекла (нуклеофильная атака Siδ+Oδ- ... OH-), вызывая разрыв связей SiO. Одновременно с этим гидроксиды, образующиеся после гидролиза стекла, поглощают CO2 из воздуха или воды, образуя карбонаты:
2NaOH + CO2 = Na2CO3 + H2O
В этот момент растворы NaOH и Na2CO3 также вызывают коррозию стекла. В частности, из-за аномального явления Na2CO3 коррозия стекла становится более серьезной, разрушая пространственную структуру сетки стекла. Кроме того, в процессе полировки из-за постоянного гидролиза стекла выделяющаяся щелочь приводит к постоянному повышению pH полировальной жидкости. Для оптических стекол с низкой химической устойчивостью рост pH происходит быстрее, иногда достигая равновесного значения pH 8.5–9. В щелочной полировальной жидкости присутствует большое количество ионов OH-, что приводит к упомянутой выше нуклеофильной атаке на связи Si-O, разрыву связей и разрушению основной структуры стекла, вызывая сильную коррозию.
Как упоминалось ранее, в процессе водной коррозии происходит замещение ионов щелочных или щелочноземельных металлов, и на поверхности стекла одновременно с гидроксидами образуются гель кремниевой кислоты или карбонаты. Они формируют на поверхности стекла нерегулярные интерференционные пленки или пятна различной толщины. В отраженном свете они могут выглядеть как плавающие на воде «масляные пятна», как «темные пятна» (похожие на тонкие серые облака в небе), «водяные знаки», «серые дорожки» или «белые пятна». Эти пленки и пятна имеют разный вид и названия, но все они являются результатом той или иной степени эрозии полированной поверхности оптического стекла под воздействием воды, кислот или щелочей.
Считается, что «голубые пятна» образуются из-за выхода различных ионов металлов (таких как K+, Na+, Ca++ и др.) с поверхности стекла и формирования нерегулярной пористой пленки кремниевой кислоты, иногда с присутствием микрокристаллов солей металлов. Из-за неравномерности толщины пленки возникают различные интерференционные цвета, вплоть до радужной пленки.
«Белые пятна» образуются, когда наряду с формированием пленки кремниевой кислоты вследствие выхода ионов металлов (K+, Na+, Ca++, Ba++, Pb++ и др.), происходит кристаллизация большого количества гидроксидов, карбонатов, сульфатов и других солей. Если удалить белое пятно с поверхности стекла, под ним часто можно обнаружить голубое пятно.
Можно заключить, что масляные пленки или пятна, появляющиеся на поверхности оптического стекла в процессе полировки или после нее, представляют собой налет из геля кремниевой кислоты, гидроксидов, карбонатов и т.д., возникший вследствие эрозии стекла водой или другими средами. По своей сути это явление химической коррозии.
III. Меры защиты оптического стекла в процессе полировки
Основываясь на вышеизложенном, степень коррозии оптического стекла определяется двумя основными факторами: химической стабильностью самого материала (составом и структурой стекла) и условиями окружающей среды, то есть контактом с водой, кислотами, щелочами и другими средами. Изменение состава стекла с целью улучшения его физико-химических свойств неизбежно повлияет на его оптические характеристики, что лишает смысла использование данного типа стекла. Единственным приемлемым решением является оптимизация внешних условий в процессе обработки.
В процессе полировки возможно изменение кислотности (pH) полировальной жидкости, в частности, ее защелачивание при длительном использовании. Согласно теории химического взаимодействия при полировке, слабокислая или нейтральная среда вызывает минимальную коррозию стекла и способствует повышению скорости полировки и улучшению шероховатости поверхности. Однако по мере продолжения процесса и длительного использования полировальной жидкости ее pH имеет тенденцию к повышению, то есть среда становится щелочной. Это происходит из-за постоянного растворения ионов щелочных и щелочноземельных металлов из стекла в полировальной жидкости. Это явление наблюдается как при скоростной полировке с циркуляцией жидкости, так и при классической полировке, когда остатки жидкости постоянно вносятся в рабочий объем. Изменение pH, особенно его повышение, крайне неблагоприятно для полировки стекла.
В реальном производстве обычно выбирают полировальную жидкость с pH в диапазоне 6–7, что способствует гидролизу стекла и обеспечивает высокую скорость полировки; однако выбор зависит от материала оптического стекла:
1.Для стекол с низкой кислотостойкостью, но хорошей щелочестойкостью (например, стекла с высоким содержанием BaO, бариевые стекла), pH полировальной жидкости регулируют в диапазоне 7–8 (слабощелочная среда).
2.Для стекол с низкой щелочестойкостью, но хорошей кислотостойкостью (например, стекла с высоким содержанием ZnO), pH устанавливают в диапазоне 6–6.5 (слабокислая среда).
3.Для стекол с высоким содержанием TiO2 (низкая щелочестойкость, но хорошая водо- и кислотостойкость) подходящим является диапазон pH 6–7.
Независимо от того, является ли стекло кроном или флинтом, pH в пределах 5.8–6.8 обеспечивает высокую скорость полировки. Когда pH полировальной жидкости превышает 7.5, скорость полировки заметно снижается. Это объясняется тем, что слабокислая среда способствует гидролизу: происходит ионообмен между ионами Na+, K+, Ca++ в стекле и ионами H+ в воде, что стимулирует реакцию гидролиза и специфическим образом ускоряет полировку. В щелочной среде выход щелочных и щелочноземельных ионов из стекла затруднен, что тормозит реакцию гидролиза и влияет на стабильность коллоида кремниевой кислоты. Силикагель легко растворяется в щелочной среде, образуя стабильное коллоидное состояние. В кислой же среде силикагель растворяется плохо, и хотя он может образовывать крупнозернистый осадок, что несомненно неблагоприятно для полировки, высокий pH (стабилизирующий гель) считается более вредным фактором для скорости съема.
Для стабилизации pH полировальной жидкости в оптимальном диапазоне используются добавки, способные возвращать слабощелочной раствор к нейтральному или слабокислому состоянию: ReCl3·6H2O, CeCl3·7H2O, NdCl3·6H2O, La(NO3)3·6H2O, Zn(NO3)2·6H2O. Среди них ReCl3·6H2O, CeCl3·7H2O и Zn(NO3)2·6H2O показывают наилучшие результаты. Даже когда количество выделяемой щелочи значительно превышает нейтрализующую способность стабилизатора, они способны удерживать pH жидкости вблизи нейтральной точки.
1.Смешанный хлорид редкоземельных элементов (ReCl3·6H2O) при добавлении в полировальную жидкость постоянно гидролизуется с выделением ионов H+, которые нейтрализуют ионы OH-, образующиеся при гидролизе стекла. После достижения равновесия гидролиза образуются избыточные ионы H+, поддерживающие pH на нейтральном или слабокислом уровне.
2.Соли цинка (Zn(NO3)2·6H2O) или соли алюминия при добавлении в жидкость не только повышают эффективность полировки, но и выполняют функцию поддержания нейтральности среды. Помимо выделения ионов H+ при гидролизе, важную роль играет то, что при наличии в жидкости растворимых карбонатов соли цинка или алюминия подвергаются полному гидролизу с образованием соответствующих гидроксидов.
Реакция (для цинка):
Zn + CO2 + H2O = Zn(OH)2↓ + CO2
Zn(OH)2 является амфотерным соединением: когда полировальная жидкость становится кислой, он проявляет свойства слабого основания; когда жидкость становится щелочной, он проявляет свойства кислоты, обеспечивая автоматическое регулирование pH.
Существуют следующие равновесия:
Zn++ + 2OH- (щелочная среда) ⇌ Zn(OH)2 ⇌ 2H+ (кислая среда) + ZnO2--
Al+++ + 3OH- (щелочная среда) ⇌ Al(OH)3 ⇌ H+ (кислая среда) + AlO2- + H2O
Эти добавки обладают широкой применимостью. Добавление определенного количества солей цинка или алюминия позволяет поддерживать pH полировальной жидкости близким к нейтральному и стабилизировать его. Кроме того, наличие анионов цинката (ZnO2–) или алюмината (AlO2-) в щелочной среде ингибирует эрозионное воздействие щелочного раствора на оптическое стекло и повышает эффективность полировки, что делает их отличными присадками для полировки оптического стекла.
IV. Обработка оптического стекла после снятия с полировальника
Стекло обладает высоким сродством к воде и сильной гигроскопичностью поверхности, поэтому легче всего оно впитывает именно воду. В особенности это касается поверхности оптического стекла, только что снятого с полировальника после полировки: на ней остаются ненасыщенные химические связи, обладающие высокой активностью, которые чрезвычайно легко поглощают влагу и вступают с ней в реакцию. Поэтому даже следовые количества влаги и кислых газов очень вредны для поверхности стекла, и оптические стекла с низкой химической устойчивостью к этому особенно чувствительны. Это в корне отличается от ситуации полировки в кислой среде.
Поскольку гигроскопичность стекла очень высока, оптические детали сразу после снятия с полировальника необходимо немедленно протереть смесью безводного этанола и эфира, высушить под инфракрасной лампой, нанести кремнийорганический гидрофобный пленочный слой, а после сушки и отверждения нанести нейтральный защитный лак. Безводный этанол обладает сильной способностью связывать влагу на поверхности стекла, а наличие безводного эфира обеспечивает высокую летучесть смеси. После сушки необходимо удалить адсорбированную влагу с поверхности стекла, иначе даже при очень высокой температуре обжига удалить ее впоследствии будет затруднительно.
Кремнийорганические соединения или их мономеры способны образовывать на поверхности стекла кремнийорганические пленки и полисилоксановые пленки [SiO2]n, сочетающие органические группы и силоксановые группы. На поверхности стекла возникает определенный эффект ориентации алкильных групп, формируя кремнийорганическую пленку. Эта гидрофобная пленка может связываться посредством общих силоксановых связей стекло-кремнийорганического соединения, выполняя роль защитного барьера.
Гидрофобная пленка, используемая после снятия оптического стекла с полировальника, обычно представляет собой триалкилоксисилан [R3Si(OR’)], который превращает гидрофильную поверхность стекла в гидрофобную, предотвращая эрозию под воздействием атмосферной влаги или кислых газов. Основываясь на этом механизме, в качестве антикоррозионного материала для оптических деталей используется раствор додецилтриметоксисилана (противозапотевающее средство №49) в безводном эфире соответствующей концентрации.
Додецилтриметоксисилан подвергается ступенчатому гидролизу и конденсации, в результате чего протекает следующая реакция:
C12H25Si(OCH3)3 + nH2O → C12H25Si(OH)3 + 3CH3OH
Вещество имеет длинную алкильную цепь C12H25—, обладающую определенным эффектом ориентации, что позволяет формировать на поверхности стекла плотный алкильный покровный слой. В то же время оно имеет структуру силанола (Si-OH), способную вступать в химическую реакцию с поверхностью стекла, и после полной сшивки прочно связывает пленочный слой, эффективно предотвращая эрозию влагой или кислыми газами из воздуха.
После снятия оптического стекла с полировальника наносится нейтральный защитный лак. Помимо вышеуказанных дополнительных функций, его основная цель — защита полированной поверхности стекла от царапин. Однако обычные защитные лаки часто имеют кислую реакцию (например, шеллак) или содержат токсичные растворители (такие как бензол, амилацетат и др.), которые могут вызывать коррозию стекла или быть вредными для операторов. Разработанный нами нейтральный защитный лак лишен этих недостатков. В качестве пленокообразующего вещества в нем используется термопластичная фенолоальдегидная смола с добавлением поливинилбутираля и кремнийорганических соединений для уменьшения хрупкости и гигроскопичности фенольной смолы. В качестве растворителя используется безводный этанол, что позволяет приготовить раствор нужной концентрации, удобный для нанесения и пленкообразования. Сформированная пленка обладает хорошей адгезией к полированной поверхности стекла, защитными свойствами и легко смывается.
V. Заключение
Основываясь на механизме коррозии и химических процессах при полировке, добавление соответствующих регуляторов pH и стабилизаторов поверхности в полировальную жидкость для химически нестойких стекол (ZK, ZF, ZBaF, LaK) позволяет подавить коррозию непосредственно в процессе обработки. Это повысило процент выхода годной продукции (с первого предъявления) с 0-10% до 75-85%, даже в условиях высокой температуры и влажности. Скорость полировки увеличилась почти в 2 раза, улучшилась чистота («яркость») поверхности.
Дополнительные защитные меры после снятия с полировальника позволяют хранить детали до 10 и более дней перед следующими операциями, что облегчает производственную логистику. Данный комплексный подход, имеющий теоретическое обоснование и практическое подтверждение, значительно повысил эффективность и технологический уровень холодной обработки оптических деталей.
Распространенные дефекты при полировке: причины возникновения и методы устранения
Пятна (следы)
Причины возникновения:
1) Плохое прилегание (несовпадение) полировальника и блока линз, приводящее к появлению масляных пятен.
2) Низкая химическая стойкость стекла.
3) Капли воды, полировальная жидкость, брызги слюны и т.д. не были вытерты вовремя.
Методы устранения:
1) Выбор подходящей полировальной смолы; подрезка или правка (коррекция) полировальника (в т.ч. полиуретанового) для обеспечения полного прилегания.
2) В процессе полировки можно использовать соответствующие присадки (стабилизаторы); после завершения обработки наносить защитное покрытие.
3) Избегать разговоров непосредственно над деталями; если после снятия с блока деталь влажная, ее следует насухо вытереть; стекло с низкой химической стойкостью необходимо подвергать сушке (в печи).
Деформация интерференционной картины (колец)
Причины возникновения:
1) Неподходящая сила сцепления наклеечной смолы (клея).
2) Снятие с блока до стабилизации интерференционных колец.
3) При обработке на жестком инструменте: длительное использование инструмента без проверки (загрязнение или деформация посадочных отверстий).
4) При обработке на жестком инструменте: внешний диаметр обрабатываемой детали слишком велик, неправильный метод блокировки (наклейки) и т.д.
Методы устранения:
1) Деформация колец в основном происходит на тонких деталях или деталях неправильной формы; следует применять соответствующие методы блокировки.
2) Необходимо обеспечить определенное время для стабилизации колец в зависимости от размера детали.
3) Регулярно проводить проверку и корректировку жесткого инструмента.
4) Строго соблюдать технологический процесс и регламент операций блокировки.
Точечные дефекты (питинги/непрополировка)
Причины возникновения:
1) Недостаточное время тонкой шлифовки или полировки.
2) Неравномерная поверхность после тонкой шлифовки или большая разница (съема) между центром и краем.
3) Остаточные следы от грубых царапин, вскрывшиеся после полировки.
4) Завал углов после тонкой шлифовки квадратных или прямоугольных деталей.
5) Смещение деталей на блоке в процессе обработки.
6) Слишком большая ошибка формы после тонкой шлифовки (особенно «бугор»), приводящая к недостаточной полировке краев.
7) Слишком длительное время работы полировальника или использование старой полировальной жидкости, что снижает эффективность полировки.
Методы устранения:
1) При тонкой шлифовке следует полностью удалять следы предыдущего (более грубого) абразива; обеспечить достаточное время полировки.
2) Обеспечить правильный подбор колец при тонкой шлифовке; обработку вести от края к центру.
3) При обнаружении дефектов сделать маркировку, отложить деталь отдельно или отправить на переполировку.
4) Использовать плоский шлифовальный инструмент с канавками, равномерно добавлять абразив.
5) Использовать подходящую наклеечную смолу, контролировать температуру процесса (избегать резких перепадов температур блока), толщина слоя смолы должна соответствовать стандарту.
6) Подбор колец на каждом переходе тонкой шлифовки должен строго соответствовать технологической карте.
7) Периодическая замена полировальника (полировальной кожи) и контроль показателей полировальной жидкости (удельный вес, pH и т.д.).
Царапины
Причины возникновения:
1) Неравномерная зернистость полировального порошка или наличие крупных механических примесей.
2) Загрязненная среда в производственном помещении.
3) Загрязненные полировальные материалы (полировальная смола, полиуретан, наклеечная мастика и т.д.).
4) Грязная протирочная ткань или пыль, занесенная оператором.
5) Оставшиеся царапины от тонкой шлифовки (не выведены) или некачественная промывка.
6) Грязная деталь или пробное стекло (эталон) при проверке колец, неправильный метод проверки.
7) Полировальный материал (смола или полиуретан) слишком твердый; длительное использование привело к образованию твердой корки или сухих наростов по краям.
8) Несовпадение (плохое прилегание) полировальника и блока линз.
9) Вызвано вспомогательными процессами (снятие с блока, промывка, межоперационная транспортировка, невысохший защитный лак и т.д.).
Методы устранения:
1) Выбор полировального порошка с равномерной зернистостью, соответствующего материалу стекла.
2) Качественное выполнение требований системы 5S.
3) Правильное хранение необходимых расходных материалов.
4) Стирка и надлежащее хранение протирочных тканей; ношение оператором чистой спецодежды и головного убора.
5) Проведение самоконтроля.
6) Правильное использование пробных стекол (эталонов).
7) Выбор подходящего полировального материала (смола или полиуретан), его периодическая замена, правка или подрезка полировальника.
8) Правка, подрезка или повторное изготовление полировальника.
9) Обработка в строгом соответствии с регламентом вспомогательных операций.
Роль смазочно-охлаждающей жидкости в оптической обработке
В процессе холодной обработки оптики целью использования охлаждающей жидкости является охлаждение алмазного шлифовального инструмента для отвода тепла, выделяющегося в процессе обработки оптического стекла, и обеспечения бесперебойного хода процесса. Этой цели можно достичь при использовании воды или других органических жидкостей в качестве охлаждающей среды. В частности, использование воды является недорогим и обеспечивает вполне приемлемый охлаждающий эффект. Однако, если при холодной обработке оптики для охлаждения используется обычная водопроводная вода, можно с уверенностью сказать, что такая обработка будет низкоэффективной, поскольку алмазный инструмент не сможет реализовать свою максимальную производительность.
Таким образом, ключевая роль охлаждающей жидкости заключается в ее взаимодействии с алмазным инструментом, гарантирующем, что инструмент сможет максимально проявить свою шлифовальную эффективность (режущую способность). В то же время, высококачественная СОЖ обеспечивает высокое качество обрабатываемой поверхности, уменьшает коррозионное воздействие на оптическое стекло, а также снижает вероятность появления водяных знаков и плесени после полировки. Разумеется, хорошая охлаждающая жидкость также должна обладать хорошими антикоррозионными свойствами (ингибированием коррозии), не иметь запаха, не загрязнять окружающую среду и не оказывать негативного влияния на здоровье.
1.Антикоррозионные свойства оптической СОЖ
Контакт воды с оборудованием для холодной обработки оптики неизбежно приводит к ржавлению оборудования. Поэтому антикоррозионные свойства (ингибирование коррозии) являются основным техническим требованием к охлаждающей жидкости. Исходя из материалов, обычно используемых в оборудовании для обработки оптики, жидкость должна оказывать ингибирующее действие на чугун, обычную сталь, алюминиевые и медные детали. Охлаждающая жидкость низкого качества часто ускоряет коррозию оборудования, сокращая срок его службы и тем самым увеличивая производственные затраты.
2.Влияние оптической СОЖ на поддержание режущей способности (самозатачивание) алмазного инструмента
Чтобы придать оптической охлаждающей жидкости необходимые свойства, в водопроводную воду добавляют определенные функциональные вещества, такие как определенное количество ингибиторов коррозии металлов, поверхностно-активные вещества (ПАВ), соответствующие смазочные материалы и т.д., формируя рецептуру СОЖ. Их введение часто приводит к появлению нежелательных явлений, таких как пенообразование, запах, аллергия или раздражение кожи, коррозия оборудования, токсичность и т.д. Интенсивность или масштаб этих явлений напрямую влияют на комплексные характеристики охлаждающей жидкости.
2.1 Взаимодействие оптической СОЖ с алмазным инструментом при холодной обработке
Высокоэффективная холодная обработка оптики обычно делится на три этапа: фрезерование (грубая шлифовка), тонкая шлифовка и полировка. Технологические параметры и вспомогательные материалы, используемые на каждом этапе, напрямую влияют на эффективность обработки. В процессах фрезерования, тонкой шлифовки или ультратонкой шлифовки роль охлаждающей жидкости нельзя недооценивать.
Обработка оптического стекла алмазными фрезами или алмазными таблетками (pellets) обычно делится на три стадии: предварительная шлифовка, основное шлифование и выхаживание (чистовой проход). В зависимости от целей каждого этапа оборудование управляет клапанами регулировки давления с помощью реле, изменяя величину давления воздуха и время шлифования.
На этапе предварительной шлифовки, из-за плохого прилегания инструмента к стеклу, применяется низкое давление для предотвращения ударов, которые могут привести к отрыву таблеток от алмазного диска или повреждению заготовок на блоке. На этом этапе, поскольку алмазный инструмент и обрабатываемый оптический элемент находятся в контакте под низким давлением, объем съема стекла невелик. В то же время шероховатая поверхность стекла оказывает абразивное воздействие на связку (матрицу) алмазного инструмента. Результатом этого воздействия является образование «разрушенного слоя» на рабочей поверхности инструмента. Этот слой состоит из мелких алмазных зерен, вкрапленных в связку, микровыступов металлической связки, а также адсорбированного порошка связки, алмазной пыли и стеклянной пыли. Этот этап является этапом «обнажения зерен» (затачивания) алмазного инструмента, и именно здесь охлаждающая жидкость играет свою основную роль. Ее задача — удалить адсорбированные на поверхности инструмента микрочастицы металлической связки и стеклянную пыль с рабочей зоны, тем самым увеличивая высоту выступания алмазов над связкой и подготавливая инструмент к основному шлифованию.
На этапе основного шлифования шероховатость оптического стекла постепенно уменьшается, а площадь контакта с алмазным инструментом увеличивается. В условиях высокого давления и сжатия при основном шлифовании на рабочей поверхности выделяется большое количество тепла. Под воздействием давления и тепла микровыступы металлической связки, образовавшиеся на этапе предварительной шлифовки, подвергаются пластической деформации. Выступающий алмазный микропорошок также вдавливается и смещается, вновь обволакиваясь пластически деформированным металлом связки. Частицы связки, адсорбированные на этапе предварительной шлифовки, могут вновь вплавляться в матрицу, увеличивая степень «закрытия» алмазных зерен. Это явление в некоторой литературе называется «засаливанием» (loading) алмазного инструмента, результатом чего является снижение режущей силы инструмента.
На этапе выхаживания давление снижается, и шероховатость поверхности оптической детали дополнительно уменьшается.
2.2 Синергия охлаждающей жидкости и алмазного инструмента при шлифовании
Согласно приведенному выше анализу, самая главная роль охлаждающей жидкости заключается в максимальной адсорбции или растворении порошка связки, образующегося на этапе предварительной шлифовки, в самой жидкости. Это уменьшает явление «засаливания» алмазного инструмента и гарантирует сохранение его режущей силы. Как достичь этой цели? Существуют следующие общепринятые подходы:
Первый — химическое комплексообразование.
В процессе шлифования из-за воздействия тепла и воздуха часть атомов металлической связки окисляется, превращаясь в ионы металлов. Подходящие комплексообразователи (хелатирующие агенты) связывают эти ионы в комплексы, удаляя их с рабочей поверхности инструмента.
Второй — химическая коррозия (травление).
Теоретически это имеет смысл, но часто зависит от скорости химической реакции. Следует сказать, что это играет лишь вспомогательную роль, поскольку по сравнению с механическим трением скорость реакции, ограниченная выбранными химическими веществами, намного ниже.
Однако вышеуказанные два подхода часто с трудом обеспечивают необходимые характеристики охлаждающей жидкости. Более глубокое понимание процессов является техническим ядром для решения проблемы режущей способности оптической СОЖ.
2.3 Выбор и действие химических веществ в охлаждающей жидкости
При выборе веществ для рецептуры охлаждающей жидкости руководствуются следующими принципами: нетоксичность, отсутствие запаха, отсутствие пенообразования (или низкое пенообразование), минимальное раздражение кожи, отсутствие загрязнения окружающей среды. Конечно, это лишь принципы, поскольку для обеспечения эксплуатационных свойств материалов часто трудно добиться того, чтобы каждый компонент соответствовал всем нашим требованиям. В ходе испытаний выбор веществ часто осуществляется на основе компромисса для достижения наилучших комплексных характеристик.
2.4 Срок службы охлаждающей жидкости
В процессе тонкой шлифовки режущая способность при использовании охлаждающей жидкости будет медленно снижаться, пока не перестанет удовлетворять требованиям обработки. Время непрерывной обработки или количество обработанных стеклянных деталей определяет срок службы охлаждающей жидкости. Снижение режущей силы можно понимать как истощение эффективных веществ, что приводит к снижению их действия. Срок службы оптической СОЖ является еще одним важным критерием оценки ее эффективности.
3.Заключение
Оптическая охлаждающая жидкость играет чрезвычайно важную роль в холодной обработке оптики. Ее выбор напрямую влияет на эффективность обработки. Максимальное соотношение цены и качества является важнейшим принципом при выборе оптической СОЖ.
Карборунд
В 1891 году американец Ачесон смешал глину и кокс, поместил их в железный чан и попытался с помощью электрической дуги превратить углерод в алмаз. Однако в результате вблизи электрода были обнаружены сверкающие шестиугольные кристаллы, отличные от кубических октаэдров природного алмаза. Ачесон предположил, что это новое соединение, образовавшееся в результате реакции углерода с оксидом алюминия, содержащимся в глине. Поскольку в природе существует минерал оксида алюминия, называемый корундом, он составил название нового соединения из двух английских слов: углерод (Carbon) и корунд (Corundum), назвав его карборундом (Carborundum). Позже выяснилось, что это соединение представляет собой карбид кремния, образованный реакцией диоксида кремния из глины с углеродом при высоких температурах.
Кристаллическая ячейка имеет гранецентрированную кубическую структуру, каждая ячейка содержит 4 атома C и 4 атома Si. Структура аналогична структуре алмаза.
По твердости карбид кремния уступает только алмазу, карбиду бора и кубическому нитриду бора, занимая четвертое место среди неорганических материалов. В настоящее время методом горячего прессования и спекания удается получать карбид кремния высокой плотности. Он обладает высокой прочностью и отличной стойкостью к окислению, не деформируется при высоких температурах и может использоваться для изготовления лопаток турбин высокотемпературных газовых турбин, износостойких уплотнительных материалов, сопел ракетных двигателей, а также легких пуленепробиваемых изделий.
Карборунд, SiC, научное название — карбид кремния. В чистом виде представляет собой бесцветные кристаллы. Плотность 3.06–3.20. Обладает очень высокой твердостью, около 9 по шкале Мооса. Обычно представляет собой бесцветные порошкообразные гранулы. После измельчения может использоваться в качестве шлифовального порошка, для изготовления абразивной бумаги, а также для создания рабочих поверхностей шлифовальных кругов и брусков. Получается путем интенсивного нагрева смеси песка и соответствующего количества углерода в электрической печи.
Природный абразив, также известный как гранат (гранатовый песок), относится к классу силикатных минералов. Это абразивный материал, получаемый методами гидроклассификации, механической обработки, просеивания и сортировки. История его производства и использования насчитывает много лет; в древнем Китае существуют примеры использования гранатового песка для шлифовки хрустального стекла и различных нефритов. В 40-х годах XIX века он экспортировался в Японию. Разделяется на три основные категории: крупнозернистый, среднезернистый и мелкозернистый. Крупнозернистый имеет черно-красный цвет, среднезернистый — бледно-красный, мелкозернистый — красно-белый. Зерна различных фракций однородны, имеют одинаковую форму, образуют угловатые кристаллы с острыми краями, обладают высокой режущей способностью.
Используется в камнеобрабатывающей промышленности для шлифовки мрамора и других мягких материалов.
В стекольной и оптической промышленности применяется для шлифовки кромок стекла, кинескопов телевизоров, оптических приборов, линз, призм, часовых стекол и т.д.
В металлообрабатывающей промышленности используется для пескоструйной обработки, удаления ржавчины и шлифовки.
В полиграфической промышленности применяется для шлифовки офсетных пластин, а также в легкой промышленности для обработки пластиковых моделей, кожи, производства наждачной бумаги и других целей.
Назначение:
(1) Повышение чистоты поверхности (полировка) кремниевых пластин, оптических линз, прецизионных контрольно-измерительных приборов, стеклянных колб, стеклянной посуды, керамического камня, кожи, пластика и металлических деталей.
(2) Может использоваться для пескоструйной резке; является необходимым сырьем для производства шлифовальных кругов, точильных брусков, наждачной полотна и абразивного песка.
(3) Может служить отличным износостойким материалом для строительства покрытий скоростных автомагистралей, взлетно-посадочных полос самолетов, износостойкой резины, промышленных полов, противоскользящих красок и т.д.
(4) Может использоваться как фильтрующая среда в химической, нефтяной, фармацевтической промышленности, водоподготовке, а также как утяжелитель для буровых растворов.
(5) Обладает хорошим эффектом защиты при гальванике и от ядерного загрязнения.
(6) Используется как песок для пескоструйных цехов джинсовых фабрик (стирка с песком) и как качественный абразив для гидроабразивной резки.
Шлифующая способность природного граната немного ниже, чем у электрокорунда белого, но он обладает высокой вязкостью и характеристиками раковистого излома. Его преимуществом является высокая чистота обрабатываемой поверхности, малое количество и малая глубина царапин. Шлифованная поверхность получается тонкой и однородной, что позволяет повысить качество продукции, что является уникальной особенностью данного материала. Время шлифовки природным гранатом короткое, эффективность высокая, цена низкая, что компенсирует его недостаток в виде короткого срока службы.
Определение твердости
Определение твердости минералов обычно производится путем взаимного царапания двух минералов, чтобы увидеть, какой из них будет поцарапан. Конкретный метод заключается в выборе 10 «эталонных минералов». Сначала методом взаимного царапания определяются 10 уровней твердости от 1 до 10, а затем эти эталонные минералы используются для царапания испытуемого минерала, и путем сравнения определяется твердость последнего. Твердость 1 — самый мягкий, твердость 10 — самый твердый. Твердость, определенная таким методом, называется твердостью по Моосу, по фамилии ученого, предложившего этот метод. Если нет особых указаний, когда речь идет о твердости, чаще всего имеется в виду твердость по Моосу.
Кроме того, существуют методы определения абсолютной твердости минералов с использованием абсолютных стандартов, например, твердость по Кнупу. Этот метод заключается в приложении нагрузки к пирамидальному алмазному наконечнику, вдавливании его в испытуемый минерал и последующем измерении размера отпечатка, образовавшегося на поверхности минерала, и приложенного давления (единица измерения: kg/mm^2 , обычно обозначается как HK). Поскольку этот метод определяет абсолютную твердость, при удвоении полученного значения твердость также удваивается. Однако этот метод определения твердости наносит значительные повреждения испытуемому минералу и обычно используется редко. Твердость алмаза составляет 10~.
Технология очистки оптики
Факторы, влияющие на очистку:
A. Ключевая техническая задача процесса очистки:
Достижение состояния поверхности оптического стекла после промывки, при котором полностью отсутствуют масляные загрязнения и пятна, поверхность остается гладкой, а водная пленка — сплошной (целостной).
B. Факторы, влияющие на качество стекла после очистки, и методы решения:
(1) Качество самого стекла и степень его загрязнения.
В основном это наличие плесени, пузырьков, царапин и других дефектов на поверхности. Загрязнения могут быть вызваны механической обработкой, такой как шлифовка, протирка, или измерением напряжений, и степень их тяжести варьируется.
(2) Выбор моющего средства, его активность, температура и качество воды.
Наиболее широко используемыми в мире очистителями ранее были CFC-113, четыреххлористый углерод, 1,1,1-трихлорэтан (сокращенно ODS). Эти вещества разрушают озоновый слой и являются экологически небезопасными. Мы используем щелочные моющие средства на водной основе, не содержащие ODS. Они состоят в основном из воды, щелочи, поверхностно-активных веществ (ПАВ) и ингибиторов коррозии. Также применяются углеводородные очистители (циклические олефины с боковыми цепями), обладающие сильной способностью растворять масла. Их особенности: низкая токсичность, негорючесть, низкая стоимость очистки.
(3) Концентрация раствора.
Концентрация напрямую влияет на степень очистки. Обычно значение pH моющего раствора составляет от 8.5 до 12. Если pH > 10, действие ПАВ ослабевает; если pH > 12, чистота промывки снижается. На практике установлено, что при слишком высокой концентрации раствора (более 15%) эффективность очистки падает, и его трудно смыть. Оптимальная эффективность достигается при концентрации около 4%-7%.
(4) Температура раствора и время погружения.
С повышением температуры увеличивается скорость реакции раствора и снижается вязкость загрязнителей, что облегчает их удаление, однако стабильность раствора может снижаться. Практика показывает, что наилучший эффект достигается при температуре раствора 50 градусов и времени погружения 30 минут.
(5) Использование чистой воды.
В процессе очистки необходимо использовать чистую или деионизированную воду. Использование водопроводной или другой жесткой воды затрудняет удаление масляных загрязнений, а содержащиеся в воде ионы Ca, Na и другие примеси образуют на поверхности стекла после сушки слой белого туманного налета, загрязняя стекло.
(6) Полоскание (промывка).
После основной очистки стекло требует полоскания. Чистота после полоскания зависит от смываемости моющего средства, его концентрации в промывочной жидкости, количества стадий полоскания, объема подачи воды, температуры и чистоты циркулирующей чистой воды.
(7) Чистота окружающей среды (производственного помещения).
(8) Технология и температура сушки.
Стекло должно располагаться вертикально; под него можно подкладывать керамические подставки, чтобы избежать следов воды на нижнем крае после сушки. Температура в печи должна контролироваться на уровне около 70 градусов, время — около 20 минут. Слишком высокая температура может привести к появлению узоров (разводов) на углах стекла.
Контекст холодной обработки оптики
При холодной обработке оптики под очисткой линз в основном понимается удаление остатков полировальной жидкости, клеящих веществ и защитных материалов после полировки; удаление масла для центрировки и стеклянной пыли после обточки (центрирования); удаление отпечатков пальцев, следов слюны и различных загрязнений перед нанесением покрытия. Традиционный метод очистки — ручная протирка с использованием протирочных материалов (марля, безворсовая бумага) и химических реагентов (бензин, этанол, ацетон, эфир). Этот метод трудоемкий, занимает много времени и обеспечивает низкую чистоту, что не соответствует современным масштабам оптического производства. Это привело к внедрению технологии ультразвуковой очистки, которая значительно продвинула развитие отрасли холодной обработки оптики.
Принцип ультразвуковой очистки
Ультразвуковая очистка основана на использовании огромной силы, создаваемой ультразвуковым полем в жидкой моющей среде, что вызывает серию физических и химических изменений в веществе для достижения цели очистки.
Когда высокочастотные колебания выше звукового диапазона (28～40 khz) передаются в моющую среду, в жидкости образуются кавитационные пузырьки, близкие к вакууму. В процессе столкновения, слияния и схлопывания этих пузырьков локально создается мгновенное давление в несколько тысяч атмосфер. Такое высокое давление вызывает изменения в окружающем веществе. Это явление называется «кавитацией»:
Кавитация может разрывать химические связи молекул вещества, вызывая физические (растворение, адсорбция, эмульгирование, диспергирование) и химические изменения (окисление, восстановление, разложение, синтез).
Когда собственная частота кавитационного пузырька совпадает с частотой ультразвука, возникает резонанс, накапливающий большое количество тепловой энергии, достаточной для разрыва химических связей.
При формировании кавитационного пузырька между его стенками возникает большая разность потенциалов, вызывающая электрический разряд, что приводит к активации газа внутри пузырька и окружающего вещества, инициируя физико-химические реакции.
Моющие средства
Ультразвуковое поле дает энергию, но необходима также химическая среда. Моющие средства делятся на два типа:
Органические растворители: Основаны на принципе «подобное растворяется в подобном» для растворения органических веществ (битум, канифоль, защитные лаки, масла для центрировки). Ранее использовались трихлорэтилен, ароматические углеводороды, фреоны, но из-за токсичности и вреда для озона они постепенно запрещаются. Сейчас в Китае чаще используются углеводородные растворители.
Водные средства на основе ПАВ: Принцип действия основан на структуре молекул ПАВ, содержащих гидрофильные и липофильные группы. Это снижает поверхностное натяжение водного раствора, облегчая смачивание поверхности и растворение/диспергирование загрязнений.
Технологии сушки в ультразвуковой очистке
В холодной обработке оптики технологии очистки часто классифицируются по методу сушки. Основные из них — технология IPA и технология чистой воды.
Технология IPA (Изопропиловый спирт)
Включает четыре этапа: стирка (мойка), полоскание, обезвоживание, сушка.
Поскольку процесс мойки может быть на основе растворителей или на водной основе, существуют разные вариации (сначала растворитель, затем пар растворителя, затем вода; или растворитель -> эмульгатор -> вода).
Процесс: После полоскания чистота поверхности линзы соответствует чистоте промывочной воды. При попадании в IPA, спирт смешивается с водой. Под действием ультразвука это смешивание происходит быстрее и полнее. Этот процесс называется обезвоживанием. Основные факторы: чистота IPA (обычно >97%), частота ультразвука, время.
Сушка: Обезвоженные линзы попадают в паровую ванну IPA. В нижней части ванны кипит IPA, пары поднимаются в зону конденсации (охлаждаемую водой). Пары конденсируются на более холодных линзах, «омывая» их. Когда температура линзы сравнивается с температурой пара, жидкий IPA испаряется. При подъеме линзы из зоны конденсации происходит окончательное высыхание.
Технология чистой воды
Включает три этапа: стирка (мойка), полоскание, сушка.
Отличие от IPA заключается в методе сушки. Существует два вида сушки чистой водой:
Медленное вытягивание из горячей чистой воды:
Чистая вода с удельным сопротивлением более 15 MΩ·m (в тексте mω·m) при определенной высокой температуре имеет максимальное поверхностное натяжение. При медленном наклонном вытягивании линзы из такой воды, благодаря поверхностному натяжению, вода мгновенно собирается в сферы и скатывается с поверхности, не смачивая ее. Окончательная сушка происходит под фильтрованным горячим воздухом. Ключевые факторы: чистота воды, температура, скорость вытягивания, угол наклона детали, чистота воздуха.
Сушка центрифугированием (холодная чистая вода):
Простой процесс: после полоскания чистой водой линзы помещаются в центрифугу. Под действием центробежной силы вода удаляется с поверхности. Этот метод экономит IPA и пространство, подходит для линз с невысокими требованиями, но требует высокой точности балансировки центрифуги.
Реализация этих технологий зависит от оборудования: рационально спроектированная и стабильная ультразвуковая моечная машина позволяет полностью реализовать преимущества данных процессов очистки.
Причины возникновения и методы устранения брызг и пятен влаги (разводов) в процессе нанесения покрытия
В процессе вакуумного напыления иногда возникают брызги и пятна влаги (разводы), которые существенно влияют на качество пленки и снижают процент выхода годной продукции. В данной статье рассматриваются причины формирования этих дефектов и методы их устранения.
I. Причины образования брызг (точечных дефектов)
Возникновение брызг в процессе напыления в основном обусловлено следующими причинами:
1.Низкая чистота материала покрытия: Материал содержит много примесей. Если эти примеси не удаляются в процессе предварительного плавления, они могут разбрызгиваться на поверхность детали (подложки) во время испарения, образуя точечные дефекты.
2.Повышенная влажность материала: Если материал слишком влажный, пятно нагрева электронной пушки при предварительном плавлении не может полностью расплавить поверхностный слой материала, что приводит к легкому образованию брызг в процессе испарения (эта ситуация часто возникает при использовании электронных пушек отечественного производства для напыления MgF2 и некоторых сублимирующих материалов).
3.Недостаточное предварительное плавление: Если предварительное плавление материала перед напылением проведено недостаточно тщательно, мелкие частицы внутри материала могут разбрызгиваться на поверхность детали в процессе испарения.
4.Чрезмерный ток луча: Слишком большой ток луча электронной пушки в процессе напыления вызывает интенсивное разбрызгивание материала.
II. Причины образования пятен влаги (разводов)
1.Проблемы с моющим раствором: Неправильная пропорция моющего раствора, повышенное содержание влаги или наличие остатков на поверхности детали после очистки приводят к образованию разводов после напыления.
2.Загрязнение при двустороннем напылении: При нанесении покрытия на две и более стороны, после завершения напыления на первую сторону, в процессе очистки второй стороны первая сторона может загрязниться, что приведет к образованию разводов после напыления на вторую сторону.
3.Влага в самой детали: Влага, содержащаяся в материале заготовки (подробно рассматривается в процессе изготовления оптических заготовок), испаряется в процессе нагрева (сушки) перед напылением, образуя пятна после нанесения покрытия.
4.Газовыделение из оснастки: Выделение водяного пара и других газов из оснастки (держателей) в процессе нагрева приводит к образованию пятен на поверхности детали после напыления и влияет на оптические характеристики покрытия.
Меры по устранению брызг и пятен влаги (разводов)
Для устранения вышеуказанных причин на производстве принимаются следующие меры:
1.Выбор поставщиков и тестирование: Выбор надежных поставщиков материалов и проведение тестирования каждой партии материала перед использованием для подтверждения его надежности.
2.Управление материалами: Стандартизация процедур получения и хранения материалов (использование сушильных шкафов, эксикаторов/осушителей) для защиты от влаги и предотвращения изменения свойств материалов.
3.Стандартизация операций напыления: Строгое соблюдение регламента предварительного плавления и испарения. Предварительное плавление материала перед напылением должно быть тщательным; при напылении толстых слоев можно применять метод многократного предварительного плавления для устранения брызг.
4.Стандартизация операций очистки: Усиление контроля после очистки и повышение качества мойки для устранения разводов, вызванных процессом очистки.
5.Регулировка температуры нагрева: Корректировка температуры сушки (нагрева) для устранения пятен, вызванных причинами, связанными с температурным режимом.
6.Управление оснасткой: Перед каждым использованием оснастка должна проходить очистку и прокаливание (при температуре 300°C более 3 часов) перед запуском в производство.
7.Проектирование оснастки: При проектировании оснастки для напыления следует отдавать предпочтение материалам с низким газовыделением в вакууме. Также можно применять метод никелирования (Ni) поверхности оснастки для снижения газовыделения и устранения связанных с этим пятен.
Благодаря применению вышеперечисленных мер можно эффективно контролировать появление брызг и пятен влаги (разводов) в процессе нанесения вакуумных покрытий.
