一种BAK-4光学棱镜精抛用高分散性抛光液及其制备方法与流程

本发明涉及光学元件超精密加工。具体涉及一种bak-4光学棱镜精抛用高分散性抛光液及其制备方法。

背景技术：

1、bak-4光学棱镜是一种高精度的光学元件，属于平面光学棱镜类型，主要由钡冕玻璃组成，常用于望远镜、显微镜、激光器等光学设备中，可以实现光的偏转、分束、反射等效果。为使光学系统具备高成像质量，在化学机械抛光(cmp)后，棱镜表面必须超光滑且表面无损伤，并且，bak-4光学棱镜通常具有非球面或非平面的曲面结构，因此曲率半径和形状的精准控制对其光学性能至关重要。

2、抛光液作为重要的抛光材料，是影响cmp加工质量的关键因素，组成包括：磨粒、分散剂和ph调节剂等，其中，磨粒作为抛光液中的主要成分，作用是在抛光过程中去除材料表面微小凹陷和瑕疵，使表面更加光滑。因此，抛光液中适当的磨粒粒径分布和优异的分散性是确保表面无损伤加工的重要前提，并且，抛光液中各组分间的协同耦合会对抛光效率产生影响。ceo2作为磨粒应用于光学元件用化学机械抛光液已有大量报道，现有抛光液为提高分散性通常选择引入大量均聚及大单体型分散剂和碱性溶液体系制备(cn110872471b,cn115141548b)，但上述分散剂受离子强度影响较大，只能在较窄ph范围内起到分散作用，并且添加过量会使磨粒表面发生过饱和吸附，导致架桥絮凝，而碱性溶液容易对元件产生化学侵蚀，从而降低加工后表面质量。另一方面，为提高抛光效率，通常引入过多磨粒和氟化物(cn111100558b,cn107629701b)，但固含量较高容易对元件表面产生损伤，同时la3+的添加容易在含铈样品中形成较大团聚体。因此，如何有效抑制抛光液中磨粒团聚并兼顾加工后表面粗糙度与抛光效率是制备高质量化学机械抛光液的关键。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供了一种bak-4光学棱镜精抛用高分散性抛光液及其制备方法，解决了现有技术中抛光液磨粒分散性差易团聚问题，并兼顾加工后表面粗糙度与抛光效率。

2、本发明的技术方案：为实现上述内容，本发明一方面提供了一种bak-4光学棱镜精抛用高分散性抛光液，该抛光液组成包括：主体改性分散磨粒、辅助改性分散磨粒、0.1~0.5wt%聚丙烯酸-聚氧化乙烯、ph调节剂、0.1~0.8wt%有机硅消泡剂、余量超纯水。

3、在本发明中，所述主体改性分散磨粒为粒径梯度化的类球形聚乙烯亚胺改性ceo2，粒径范围200~500 nm，按质量百分数计，含量占抛光液总质量的3.0~5.0%，辅助改性分散磨粒为类球形聚乙烯亚胺改性zro2、类球形聚乙烯亚胺改性sic的其中一种或两种，粒径范围40~80 nm，含量为主体改性分散磨粒质量的8~15%。

4、优选的是，以抛光液总质量为基准，所述主体改性分散磨粒和辅助改性分散磨粒包括以下重量百分比的组分：

5、主体改性分散磨粒：3.2%的400 nm类球形聚乙烯亚胺改性ceo2，0.8%的200 nm 类球形聚乙烯亚胺改性ceo2；

6、辅助改性分散磨粒：0.2%的80 nm 类球形聚乙烯亚胺改性zro2，0.15%的50 nm 类球形聚乙烯亚胺改性sic。

7、在本发明中，所述ph调节剂为磷酸、无水柠檬酸、磷酸二氢钾、dl-苹果酸、单宁酸中的一种或多种。

8、本发明第二方面提供了前述主体改性分散磨粒、辅助改性分散磨粒的制备方法，包括：向装有相应粒径的ceo2或zro2或sic初始磨粒反应容器中加入一定量的乙二醇与二甲基甲酰胺混合分散溶液，并进行超声搅拌分散5~30 min，期间控制容器内温度不超过30℃，之后加入一定量的支状聚乙烯亚胺（mw=60000），设置温度为50~90℃，并氮气气氛下加热回流8~15 h进行接枝反应，结束后停止加热并持续搅拌至室温，最后将溶液倒入离心管，在6000rpm下离心10 min、倒出上清液，沉淀物通过无水乙醇和硝酸洗涤3次后用去离子水洗涤至中性、在70℃烘箱中干燥10 h后得到主体改性分散磨粒或辅助改性分散磨粒。

9、在本发明中，所述ceo2或zro2或sic磨粒与混合分散溶液的固液比优选为1 g：60~100 ml，更优选为1 g：80 ml；所述混合分散溶液中乙二醇与二甲基甲酰胺的体积比为5：2。

10、在本发明中，所述ceo2或zro2或sic磨粒与支状聚乙烯亚胺的用量比优选为1 g：1.5～3 ml，更优选为1 g：2.2 ml。

11、本发明第三方面还提供了一种形成bak-4光学棱镜精抛用高分散性抛光液的制备方法，包括：在机械搅拌条件下，将装有主体改性分散磨粒和辅助改性分散磨粒的容器中加入超纯水，并加入聚丙烯酸-聚氧化乙烯，随后缓慢加入ph调节剂至溶解，调节溶液ph至6.5~7.5，之后加入有机硅消泡剂，最后将超声波破碎仪探头浸入溶液中，进行超声+机械搅拌共分散，控制容器内溶液温度不超过35℃。

12、在本发明中，所述超声功率为80 w；所述超声+机械搅拌共分散时间优选为10~60min，更优选为30 min。

13、本发明至少包括以下有益效果：

14、1、本发明通过严格控制磨粒与支状聚乙烯亚胺固液比、反应温度和反应时间，将支状聚乙烯亚胺修饰在磨粒表面，并向抛光液中引入少量特殊分子段结构的聚丙烯酸-聚氧化乙烯，实现了抛光液中磨粒粒径分布集中和团聚大颗粒的消除，从而确保不会划伤抛光件表面。

15、2、本发明配置了以主体改性分散磨粒（相对含量高、大尺寸和硬度较低，在抛光过程中起提供切削力和机械划擦作用）和辅助改性分散磨粒（相对含量低、小尺寸和硬度较高，在抛光过程中富集于棱镜凹陷处，形成一层阻挡层，防止主体改性分散磨粒过度去除凹陷部位，起提高加工精度作用）为主导的bak-4光学棱镜精抛用高分散性抛光液新体系，兼顾了加工后表面粗糙度与抛光效率。

16、3、本发明所述的抛光液分散性能稳定，磨粒粒径分布集中，在室温下储存3个月未出现明显聚沉现象，抛光后表面可以达到亚纳米级别。

17、4、改性磨粒和分散剂的作用机理分别为：通过将支状聚乙烯亚胺修饰在磨粒表面，一方面，由于聚乙烯亚胺接枝在磨粒表面，增加了磨粒之间的静电排斥能，从而阻止了磨粒的相互接近和吸引，另一方面，聚乙烯亚胺链富含大量带有负电荷的伯胺和仲胺基团，增加了磨粒的亲水性，使磨粒在抛光液中均匀分散。另外，抛光液中的分散剂为梳状共聚物聚丙烯酸-聚氧化乙烯，其具有以聚羧酸锚固段为“背”、聚醚溶剂化段为“齿”的梳型结构，其中聚羧酸锚固段处于聚合物链同一侧且紧密相连，避免了不同锚固段吸附到不同磨粒表面，有效降低了架桥絮凝，提高了分散剂利用率。同时，聚醚溶剂化段向溶剂相伸展，使磨粒表面的吸附层厚度增加，从而提高了磨粒在抛光液中的分散效果。

技术特征：

1.一种bak-4光学棱镜精抛用高分散性抛光液，其特征在于，该抛光液组成包括：主体改性分散磨粒、辅助改性分散磨粒、0.1~0.5 wt%聚丙烯酸-聚氧化乙烯、ph调节剂、0.1~0.8wt%有机硅消泡剂、余量超纯水。

2.根据权利要求1所述的bak-4光学棱镜精抛用高分散性抛光液，其特征在于，所述主体改性分散磨粒为粒径梯度化的类球形聚乙烯亚胺改性ceo2，粒径范围200~500 nm，按质量百分数计，含量占抛光液总质量的3.0~5.0%，辅助改性分散磨粒为类球形聚乙烯亚胺改性zro2、类球形聚乙烯亚胺改性sic的其中一种或两种，粒径范围40~80 nm，含量为主体改性分散磨粒质量的8~15%。

3.根据权利要求1所述的bak-4光学棱镜精抛用高分散性抛光液，其特征在于，以抛光液总质量为基准，所述主体改性分散磨粒和辅助改性分散磨粒包括以下重量百分比的组分：

4.根据权利要求1所述的bak-4光学棱镜精抛用高分散性抛光液，其特征在于，所述ph调节剂为磷酸、无水柠檬酸、磷酸二氢钾、dl-苹果酸、单宁酸中的一种或多种。

5.根据权利要求1所述的bak-4光学棱镜精抛用高分散性抛光液，其特征在于，所述主体改性分散磨粒或辅助改性分散磨粒的制备方法，包括：向装有相应粒径的ceo2或zro2或sic初始磨粒反应容器中加入一定量的乙二醇与二甲基甲酰胺混合分散溶液，并进行超声搅拌分散5~30 min，期间控制容器内温度不超过30℃，之后加入一定量的支状聚乙烯亚胺mw=60000，设置温度为50~90℃，并氮气气氛下加热回流8~15 h进行接枝反应，结束后停止加热并持续搅拌至室温，最后将溶液倒入离心管，在6000 rpm下离心10 min、倒出上清液，沉淀物通过无水乙醇和硝酸洗涤3次后用去离子水洗涤至中性、在70℃烘箱中干燥10 h后得到主体改性分散磨粒或辅助改性分散磨粒。

6.根据权利要求5所述的bak-4光学棱镜精抛用高分散性抛光液，其特征在于，ceo2或zro2或sic磨粒与混合分散溶液的固液比为1 g：60~100 ml；所述混合分散溶液中乙二醇与二甲基甲酰胺的体积比为5：2。

7.根据权利要求5所述的bak-4光学棱镜精抛用高分散性抛光液，其特征在于，ceo2或zro2或sic磨粒与支状聚乙烯亚胺的用量比为1 g：1.5～3 ml。

8.根据权利要求1所述的bak-4光学棱镜精抛用高分散性抛光液的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：在机械搅拌条件下，将装有主体改性分散磨粒和辅助改性分散磨粒的容器中加入超纯水，并加入聚丙烯酸-聚氧化乙烯，随后缓慢加入ph调节剂至溶解，调节溶液ph至6.5~7.5，之后加入有机硅消泡剂，最后将超声波破碎仪探头浸入溶液中，进行超声+机械搅拌共分散，控制容器内溶液温度不超过35℃。

9.根据权利要求8所述的bak-4光学棱镜精抛用高分散性抛光液的制备方法，其特征在于，超声功率为80 w；超声+机械搅拌共分散时间为10~60 min。

技术总结本发明公开了一种BAK‑4光学棱镜精抛用高分散性抛光液及其制备方法，通过严格控制磨粒与支状聚乙烯亚胺固液比、反应温度和反应时间，将支状聚乙烯亚胺修饰在磨粒表面，并向抛光液中引入少量特殊分子段结构的聚丙烯酸‑聚氧化乙烯，实现了抛光液中磨粒粒径分布集中和团聚大颗粒的消除，从而确保不会划伤抛光件表面，应用前景良好。技术研发人员：李英朋,占稳,刘文志,林鸿榕受保护的技术使用者：中国机械总院集团海西（福建）分院有限公司技术研发日：技术公布日：2024/5/27