CC BY
72
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛИРОВАЛЬНЫХ СМОЛ НА ПРОЦЕСС ОБРАБОТКИ ХАЛЬКОГЕНИДОВ ЦИНКА
Е.Ю. Вилкова, У.П. Клепикова (Институт химии высокочистых веществ РАН) Научный руководитель - к.х.н. О.В. Тимофеев (Институт химии высокочистых веществ РАН)
Исследован процесс механического полирования халькогенидов цинка с использованием полировальных смол на основе канифоли, имеющих различные физико-химические характеристики. Показано, что качество поверхности существенно зависит от условий процесса полирования, физико-химических параметров и состава используемых канифольных смол, а также от способа приготовления полировальника.
Введение
Благодаря своим относительно высоким оптическим и механическим свойствам в настоящее время одними из наиболее перспективных материалов, широко используемых в различных областях практической деятельности, являются селенид и сульфид цинка. Основная задача при изготовлении оптических элементов из халькогенидов цинка - получение свободной от дефектов полированной поверхности. Из всей последовательности операций механической обработки полирование является наиболее длительным и трудоемким и, вместе с тем, самым ответственным процессом. Технология полирования определяется многими взаимозависимыми факторами и очень чувствительна к их малым изменениям [1].
На качество получаемой полированной поверхности поликристаллических халькогенидов цинка влияют продолжительность полирования, удельное давление, полирующие абразивы, добавление в смазывающе-охлаждающую жидкость химически активных добавок. Кроме того, большую роль играет выбор материала полировальника. Основным преимуществом смоляных полировальников является способность создавать на своей поверхности микроструктуру, обеспечивающую доступ полировочной суспензии к поверхности полируемого стекла и отвод ее с поверхности [2]. При этом смоляные полировальники сочетают в себе важные для оптического полировальника, но противоречивые свойства: с одной стороны, они обладают достаточной «твердостью» для удержания «зерна» полирующего материала, в то же время достаточно «эластичные» и «мягкие» для сохранения формы полируемого материала.
Свойства используемых смол зависят от их состава и в значительной степени определяют качество полирования. В связи с этим синтез смол различного состава и исследование влияния их характеристик на свойства полируемой поверхности представляется весьма важной и актуальной задачей как в научном, так и в практическом плане.
Исследованию процесса полирования халькогенидов цинка посвящен ряд работ [3-8]. Однако результаты, полученные в этих работах, не носят систематического характера и относятся в большинстве своем к монокристаллическим образцам.
Поэтому целью нашей работы является исследование влияния теплофизических свойств полировальных смол (таких как твердость, температура размягчения, вязкость) на процесс механического полирования халькогенидов цинка для получения оптических поверхностей высокого качества.
Методика эксперимента
Обработке подвергали высокочистый поликристаллический селенид и сульфид цинка, полученный методом химического осаждения из газовой фазы. Для полирования использовали образцы халькогенидов цинка, представляющие собой диски определенного диаметра и толщины, предварительно обработанные одинаковым образом. В каче-
стве материала полировальника использовались традиционные для стекол пеко-канифольные смолы, а также новые смолы на основе модифицированной живичной канифоли. В качестве модификаторов канифоли использовали гликоли, акриловую кислоту и т. д., а в качестве добавок - разнообразные пластифицирующие вещества. В процессе синтеза смол образцы тщательно фильтровали, чтобы исключить наличие механических примесей. Полировальные смолы имели различные физико-химические показатели: температуру размягчения и твердость. Температуру размягчения определяли по ГОСТ 23863-79 (метод А - кольца и шара), твердость - методом пенетрации. В процессе механического полирования в качестве смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ) применяли дистиллированную воду.
Процесс полирования проводили согласно методике, описанной в работе [9]. Качество полировочных смол оценивали по результатам полирования и достигнутому классу чистоты поверхности. Для этого определяли скорость съема обрабатываемого материала в процессе полирования, геометрию и чистоту поверхности. В процессе полирования контролировали изменение толщины обрабатываемых деталей при помощи оптиметра, и на основании полученных данных осуществляли расчет изменения массы образцов и скорости съема материала в процессе полирования. Погрешность определения составляла менее 0,1%. Контроль геометрии поверхности осуществляли с помощью интерферометра. В процессе полирования качество высоко-полированной поверхности оценивали с помощью методов оптической и зондовой микроскопии. В частности, чистоту поверхности оптических деталей оценивали при помощи оптических микроскопов «Ахюр1ап-2» и «МБС-9» по наличию и количеству дефектов (царапины, точки, выколы и заколы) на основании ГОСТ 11141-84.
Обсуждение результатов
Были проведены эксперименты по оценке влияния материала полировальника и теплофизических характеристик смол на процесс обработки и качество поверхности халькогенидов цинка. Характеристики смол представлены в табл. 1.
В ходе предварительных экспериментов использовались пеко-канифольные смолы, применяющиеся в оптической промышленности для обработки большинства марок стекол (условные обозначения 9-26 - 18-37). Результаты показали, что при использовании их в качестве материала полировальника не удалось получить чистоту поверхности выше 5-6 класса чистоты. Поэтому предпочтение было отдано смолам на основе канифоли.
Полученные в ходе экспериментов результаты представлены в табл. 1. Из таблицы видно, что с увеличением температуры размягчения и, соответственно, твердости полировальной смолы увеличивается масса сполировываемого материала. Показано, что в процессе обработки скорость съема зависит от температуры размягчения полировальной смолы, и увеличение этой температуры на 10°С приводит к увеличению скорости съема в процессе полирования более чем на 70%. Наибольший съем наблюдался на смоле, температура размягчения которой составляла 73,5°С, и величина его составила 0,47 мкм/мин. Увеличение температуры размягчения смолы позволяет сократить время обработки и до определенного момента улучшает качество обрабатываемой поверхности. Наилучший результат, по совокупности трех параметров: чистота, геометрия и скорость съема был получен на смоле с температурой размягчения 64°С.
В результате экспериментов были получены зависимости изменения массы для образцов селенида цинка в процессе полирования от времени, при постоянных условиях, которые представлены на рис. 1. Из рисунка видно, что скорость съема на данных смолах существенно различается. На основании полученных зависимостей рассчитана скорость съема в процессе механического полирования для образцов селенида цинка.
Расчетные значения скорости съема приведены в табл. 2. Из таблицы видно, что скорости съема существенно различаются, несмотря на постоянство температуры размягчения. В образцах 4«Б11» №1 и №2 в качестве добавки использовали ПАВ, и увеличение его концентрации на 0,5% приводит к существенному изменению скорости съема и улучшению качества поверхности. Добавление стеарина в состав смолы не приводит к такому резкому увеличению скорости съема, однако существенно улучшает качество поверхности. Полученные результаты показали, что на процесс полирования влияют не только температура размягчения и твердость, но и незначительные изменения состава, при сохранении теплофизических характеристик смолы приводят к существенному изменению как скорости съема, так и чистоты поверхности. Об этом свидетельствуют фотографии поверхности селенида цинка, которые были сделаны с помощью микроскопа «Ахюр1ап 2», представленные на рис. 2. Оценка чистоты показала, что наилучшее качество получено на полировальной смоле ПС-С1 с температурой размягчения 63 °С и соответствует 4 классу чистоты по ГОСТ 11141-84.
№ образца Физико-химические показатели Скорость съема, мкм/мин
Температура размягчения по КиШ, °С Твердость, °С Логарифм вязкости при 25°С
Смолы «Оптика канифольная»
ПС-4«Б4» 67 31 - 0,16±0,03
ПС-4«Б5» 56 24,2 - 0,17±0,03
ПС-4«Бб» 59 25 - 0,27±0,09
ПС-4«Б7» 70 - - 0,34±0,06
ПС-4«Б8» 73,5 - - 0,47±0,03
ПС-4«Бп» 64 29 - 0,3±0,1
Пеко-канифольные смолы
9-26 61 26 8,4 -
10-29 65 29 8,8 0,8±0,2
12-31 67 31 9,05 0,9±0,1
12-32 68 32 9,1 0,45±0,08
18-37 71 37 9,87 -
Таблица 1. Характеристики полировальных смол и экспериментальные величины скорости съема селенида цинка в процессе полирования
Проведены исследования влияния структуры канифольных смол на качество поверхности и величину съема материала в процессе механического полирования. Для экспериментов использовали смолу, имеющую температуру размягчения 64°С. Смола заливалась на полировальники следующим образом. Образец смолы нагревали в стеклянном реакторе, снабженном перемешивающим устройством и обратным холодильником, до температуры 160-170°С и выдерживали в течение 1 ч. В этих условиях смола полностью переходила в жидкое состояние. Затем расплавленную смолу выливали на дюралевые планшайбы и охлаждали. Температуру охлаждения изменяли в интервале от
20°С до -12°С. Изготовленные таким образом полировальники использовали в процессе полирования халькогенидов цинка.
Время, мин
Рис. 1. Зависимость изменения массы образцов ZnSe в процессе обработки с использованием микропорошка АСМ 2/1 на различных смолах: 1 - 4"Б 11"; 2 - 4"Б 11" (парт. № 2); 3 - ПС-С2; 4 - ПС-С1; 5 - 4"Б 11" (парт. № 1)
№ образца Физико-химические показатели Скорость съема, мкм/мин
Температура размягчения по КиШ, оС Твердость, оС
ПС-4"Б11" 64 29,0 0,3±0,1
ПС-4"Б11"-ОС, парт. № 1 64 27,8 0,5±0,1
ПС-4"Б11"-ОС, парт. № 2 64 27,6 0,28±0,09
ПС-С1 63 29,6 0,35±0,02
ПС-С2 64,5 29,8 0,32±0,07
Таблица 2. Экспериментальные данные по скорости съема селенида цинка в процессе полирования с использованием смол на основе канифоли, имеющих одинаковую температуру размягчения, но различный состав
Рис. 2. Фотографии поверхностей селенида цинка, обработанных на микропорошке АСМ 1/0 с использованием полировочных смола на основе канифоли, имеющих различную температуру размягчения: 1 - смола ПС-С1 Тр=63°С, 2 - смола ПС-С2 Тр=64,5°С
№ образца Температура изготовления, °С Скорость съема, мкм/мин
Селенид цинка
4"Б 11" № 1 + 5 0,405
4"Б 11" № 2 - 12 0,421
4"Б 11" № 3 +18 0,377
4"Б 11" № 4 +18 и дополнит. нагрев 0,307
Сульфид цинка
4"Б 11" № 1 + 5 0,315
4"Б 11" № 2 - 12 0,318
4"Б 11" № 3 +18 0,282
4"Б 11" № 4 +18 и дополнит. нагрев 0,307
Таблица 3. Экспериментальные величины скорости съема халькогенидов цинка при механической обработке на различных полировальных смолах
В ходе экспериментов была получена зависимость изменения массы селенида цинка в процессе полирования, представленная на рис. 3. Из рисунка видно, что уменьшение температуры заливки приводит к увеличению массы сполировываемого материала. На основании этих зависимостей были рассчитаны скорости съема материала в процессе полирования.
Время, мин
Рис. 3. Зависимость изменения массы ZnSe в процессе обработки на смоле марки 4"Б11" с использованием микропорошка АСМ 1/0 при различных способах заливки полировальника: 1 - обычный способ; 2 - способ № 1; 3 - способ № 2; 4 - способ № 4;
5 - способ № 3
Время, мин
Рис. 4. Изменение скорости съема сульфида цинка в процессе его полирования на смоле 4"Б11" с использованием микропорошка АСМ 2/1 при различных способах заливки: 1 - № 1; 2 - № 2; 3 - № 3; 4 - № 4
Результаты для селенида и сульфида цинка представлены в табл. 3. Видно, что при уменьшении температуры заливки полировальника с 18°С до 5°С увеличивается скорость съема материала для селенида цинка на 18 и 24%, и на 11 и 3% - для сульфида цинка, соответственно. Это можно объяснить изменением структуры материала полировальника, которая влияет на теплофизические свойства смолы и как следствие на скорость съема обрабатываемого материала. Наилучшие результаты по качеству поверхности как для селенида, так и для сульфида цинка получены при способе заливки, когда полировальник охлаждали при температуре 5°С.
Исследование временной зависимости скорости съема сульфида цинка (рис. 4) в процессе обработки показало, что на полировальниках, приготовленных способами 2, 3 и 4, скорость полирования постепенно уменьшается. Полировальник, приготовленный 1 способом, поддерживает хоть и незначительное, но увеличение скорости обработки. Из рисунка видно, что в процессе экспериментов мы не вышли на стационарные условия. Однако установлено, что способ заливки оказывает существенное влияние на скорость съема и механизм полирования. Для вывода на постоянную скорость съема необходимо проведение более длительных экспериментов, которые в настоящее время планируются.
Выводы
Проведены исследования влияния физико-химических характеристик (температура размягчения, твердость, логарифм вязкости, состав) полировальных смол на основе живичной канифоли на качество поверхности халькогенидов цинка. Показано, что на качество механической обработки халькогенидов цинка оказывают существенное влияние не только теплофизические параметры смолы, но и ее состав, а также способ приготовления смоляных полировальников.
Качество поверхности образцов ZnSe отвечало 4 классу чистоты, а образцов ZnS-3 классу чистоты согласно ГОСТ 11141-84, с отклонением по плоскости не более одного интерференционного кольца, местная ошибка не превышала 0,1 интерференционного кольца.
Литература
1. Труды международной академии «Контенант». Формообразование оптических поверхностей. - М.: Издательство «Контенант», 2005. Т.1. - 284 с.
2. Винокуров В.М. Исследование процессов полировки стекла - М.: Машиностроение, 1967. - 196 с.
3. Девятых Г.Г., Коршунов И.А., Мурский Г.Л., Сучков А.И. Зависимость числа и размера оптических неоднородностей на поверхности высокочистого поликристаллического селенида цинка от условий его полировки // Высокочистые вещества. -1994. - № 4. - С. 74-79.
4. Куклева З.А., Кожухова В.Т., Тихомиров Г.П. Влияние обработки на качество поверхности кристаллов селенида цинка // Опт.-мех. пром-ть. - 1982. - № 5. - С. 35-38.
5. Hitoshi T., Yasuo O., Hiroyuki K. Chemical Etching of ZnSe Crystals // J. Electron. Mater. -1994. - V. 23. - № 8. - P. 835-838.
6. Herrington G., Gregory D.A., Otto W. Infrared Absorption in Chemical Laser Window Materials // Appl. Opt. - 1976. - V. 15. - № 8. - P. 1953-1959.
7. Fujita S., Mimoto H., Takebe H., Noguchi T. Growth of Cubic ZnS, ZnSe and ZnSxSe1-x Single Crystals by Iodine Transport // J. Cryst. Growth. - 1979. - V. 47. - P. 326-334.
8. Ягтар Сингх Бэси. Метод полирования селенида цинка// Патент США № 3869323. 1975.
9. Гаврищук Е.М., Тимофеев О.В., Погорелко А.А., Сучков И.А. Влияние условий полирования на оптические свойства поверхности селенида цинка. // Неорганические материалы. - 2004. - Т.40. - №3. - С. 267-271.
