一种熔融石英玻璃抛光用抛光液及其制备方法和应用

本发明涉及熔融石英玻璃抛光，尤其涉及一种熔融石英玻璃抛光用抛光液及其制备方法和应用。

背景技术：

1、熔融石英是高纯度的非结晶二氧化硅(sio2)，与其他种类玻璃相比，它具有如耐高温、耐腐蚀、膨胀系数低、高光学渗透率、电绝缘性、化学稳定性等优异的物理和化学性能。因此，在包括x射线、高功率激光、引力波探测和紫外光学系统的超精密光学系统中，熔融石英玻璃通常在高质量反射/透射光学元件中起着至关重要的作用。在这些光学系统中，光学元件的表面质量被认为是重中之重，它直接决定了光学系统的性能和精度。评价光学表面性能的主要指标包括表面图形、表面质量和表面粗糙度等。熔融石英在军事和国防、航空航天、半导体等领域的各种应用中得到了研究和发展。

2、随着现代光学技术的飞速发展，光学系统在军事侦察、天文光学等领域的应用越来越广泛，为了确保光学系统的成像质量满足要求，系统中的各光学元件在全频段均需达到高精度。特别地，在euv（极端远紫外光源，extreme ultraviolet）光刻等极端光学系统中，要求熔融石英等光学元件表面粗糙度达到全频段皮米量级以下。可以看出，要求熔融石英玻璃必须具有很高的表面质量，因此，对熔融石英玻璃表面加工精度和表面完整性提出了更高的要求。

3、计算机控制表面加工技术（ccos，computer control optical surfacing）是指在计算机的控制下，通过调整一个比零件口径小得多的磨头在零件表面的驻留时间和磨头与零件表面之间的压力，进而控制磨头在零件表面在不同位置的材料去除量，达到研磨或抛光的作用。在加工过程中，抛光工具在一定的磨损情况下可以和零件表面各个点的曲率具有较好的吻合性，保证ccos加工技术具有较高的精确性。ccos加工技术是对手工加工的模仿，但相比于手工加工，通过计算机控制可以达到更高的精度，同时加工效率更高，面形收敛速度更快，成本也有所降低。但是现有的加工方法更着重于熔融石英面形的控制，且现有的抛光液在加工熔融石英玻璃时存在抛光效率低、玻璃表面粗糙度高，辅材损耗快的问题，限制了熔融石英玻璃在光学系统中大规模工业应用。

4、氧化铈（ceo2）磨粒作为抛光液中一种常用的抛光原材料，被广泛应用于集成电路板、航空玻璃、液晶显示器，蓝宝石以及光学玻璃等材料的抛光。氧化铈能用化学分解和机械摩擦二种形式同时抛光材料，其具有抛光速度快、光洁度高和使用寿命长的特点，与传统的抛光粉相比，不污染环境，硬度低，划痕少，容易从沾着物上除去等优点。

5、公布号为cn109135580a、公布日2019年1月4日的中国专利申请“一种玻璃用抛光液及其制备方法”公开了一种氧化铈和氧化铝混合磨料的抛光液及其制备工艺，其组分成分为8~30的100~500nm氧化铝粉体，9~32%的粒径为600~1200nm的氧化铈粉体，5~8%的分散剂，1~5%的助磨剂，0.01~1%的ph值调节剂，其余为水。这种抛光液能大大提高抛光速率，但是由于氧化铝抛光粉的分散性较差，在溶液中容易团聚，形成沉淀且硬度大，容易产生划痕。同时选择性差，化学作用小，去除不均匀，容易使得工件表面产生“橘子皮”现象。该抛光液实际使用案例中的最优表面粗糙度为ra0.548nm，这严重限制其在超光滑表面加工领域生产中的推广及应用。

技术实现思路

1、本发明为解决本领域中氧化铈抛光液抛光后表面粗糙度差的问题，提供一种熔融石英玻璃抛光用抛光液及其制备方法和应用。

2、本发明第一目的在于提供一种熔融石英玻璃抛光用抛光液，按质量分数计包括如下组分：氧化铈粉末2~10%、分散剂2~5%、粘度调节剂3~5%、表面活性剂0.06~1.2%、ph调节剂0.04~1%、防腐剂0.05~2%，余量为水；所述氧化铈粉末的粒径为30~1000nm。

3、优选的，氧化铈粉末的粒径为50~600nm。

4、优选的，分散剂为聚丙烯酸钠盐、聚丙烯酸铵盐、丙烯酸酯聚合物、三聚磷酸钠、聚乙二醇中的至少一种。

5、优选的，粘度调节剂为乙二醇、甘油、明胶中的至少一种。

6、优选的，表面活性剂为月桂醇聚醚硫酸酯钠、聚丙烯酸酯、聚丙烯醚或脂肪醇聚氧乙烯醚中的至少一种。

7、优选的，ph调节剂为二羟基乙基乙二胺、乙二胺、乙二醇胺、二乙烯三胺中或四丁基氢氧化铵中的至少一种；所述防腐剂为苯并三氮唑、硼酸钾或硼酸钠中的至少一种。

8、本发明第二目的在于提供一种熔融石英玻璃抛光用抛光液的制备方法，用于制备一种熔融石英玻璃抛光用抛光液，具体包括如下步骤：

9、s1.将分散剂在搅拌的条件下加入至水中，在100~110℃下加热搅拌至混合均匀；所述搅拌的转速为400～700rpm；

10、s2.在所述步骤s1制得的溶液中加入粘度调节剂、表面活性剂，搅拌至混合均匀；

11、s3.在所述步骤s2制得的溶液中加入防腐剂，搅拌至混合均匀；

12、s4.在所述步骤s3制得的溶液中加入ph调节剂，调节ph值至7~9，搅拌至混合均匀；

13、s5.在所述步骤s4制备的溶液中加入氧化铈粉末，在8000~12000rpm下中进行0.5~1h的乳化，即可得到成品抛光液。

14、本发明第三目的在于提供一种熔融石英玻璃抛光用抛光液在抛光熔融石英玻璃方面的应用。

15、优选的，抛光方法包括：采用沥青作为抛光磨盘，将所述抛光磨盘置于熔融石英玻璃上方；在所述熔融石英玻璃的表面旋涂熔融石英玻璃抛光用抛光液，再用所述抛光磨盘以罗斯轨迹或光栅轨迹对所述熔融石英玻璃进行抛光，所述抛光的条件为：抛光压力为3~15psi、转速为50~150rpm、抛光时间为0.5~2h。

16、优选的，抛光磨盘的刻槽形式为十字形状、米字形状或网格形式；所述抛光时间为1h。

17、与现有技术相比，本发明能够取得如下有益效果：

18、（1）本发明提供了一种熔融石英玻璃用抛光液，该抛光液加工熔融石英玻璃的过程中抛光效率快，溶液分散效果稳定，抛光液充分湿润且均匀分散在熔融石英玻璃表面和抛光磨盘之间，加工后熔融石英玻璃表面的粗糙度效果好，且该抛光液制备方法简单、成本低、无污染，有利于工业化推广，配合加工方法可以实现皮米量级表面粗糙度，对于极端光学系统的发展有着至关重要的作用。

19、（2）本发明的抛光液在不降低抛光速度的同时，解决本领域中氧化铈抛光液抛光后表面粗糙度差的问题。可以实现熔融石英玻璃的超光滑表面抛光过程，且加工效率高，有利于工业化生产。

20、（3）本发明的熔融石英玻璃用抛光液成分简单、无害无污染，采用单一抛光粉作为抛光磨料，不引入其他抛光磨料，保证抛光过程中材料去除均匀性，不产生划痕等缺陷；抛光后工件表面抛光液容易清洗，不易残留，便于后续检测镀膜等工序。

21、（4）通过添加对应的分散剂和防腐剂，保证抛光液的分散稳定性和长期有效性；通过添加对应的表面活性剂，增加抛光液与熔融石英玻璃的接触，同时促进分散剂在抛光过程中更好发挥作用，保证抛光过程中磨料的均匀性。

22、（4）测试结果表明，本发明制备的熔融石英玻璃用及该抛光液的抛光方法加工后的熔融石英玻璃表面粗糙度最优可以达到ra0.075nm，抛光速率最高可达到为91.1um/h。