Состав магнитореологической суспензии для финишной обработки оптических элементов на основе водорастворимых кристаллов Российский патент 2023 года по МПК H01F1/28 

Изобретение относится к составам магнитореологических суспензий (МРС), которые могут быть использованы как рабочая среда для оптико-механической обработки (полирования) поверхности широкого класса водорастворимых кристаллов, применяющихся в качестве оптических элементов в приборостроительной, электронной и других отраслях промышленности.

В настоящее время магнитореологическая полировка поверхности оптических элементов во всем мире признана одним из наиболее перспективных smart-методов финишной обработки оптической поверхности.

Магнитореологическая финишная обработка поверхности представляет собой технологию полировки, которая позволяет точно контролировать степень удаления материала с поверхности обрабатываемого изделия. Полировальная жидкость образует «гибкий полировальный инструмент» определенной формы и твердости под действием магнитного поля. Когда жидкость протекает через небольшой зазор, образованный между заготовкой и поверхностью полировального круга, результирующая сила сдвига используется для удаления материала с поверхности заготовки, что позволяет достичь высокой точности обработки поверхности без повреждения подповерхностных слоев.

Жидкие составы, которые в присутствии магнитного поля изменяют вязкость, называются жидкости Бингама (Бингамовские жидкости) или магнитореологические материалы. Магнитореологические материалы состоят из ферромагнитных или парамагнитных частиц с диаметром не менее 0,1 мкм, диспергированных в жидкости-основе. В присутствии магнитного поля частицы поляризуются и организуются в цепочки. Действие цепочек частиц проявляется в увеличении гидродинамического сопротивления материала и его видимой вязкости. В отсутствие магнитного поля частицы возвращаются в свободное неорганизованное состояние, при котором гидродинамическое сопротивление материала соответственно уменьшается. Таким образом, различные составы магнитных жидкостей Бингама проявляют контролируемые магнитореологические свойства.

Тремя основными ингредиентами магнитореологической суспензии являются частицы магнитного карбонильного железа, абразивный полирующий порошок и жидкость-носитель. Систематические вариации этих основных компонентов позволяют успешно использовать магнитореологическую обработку в производстве прецизионной оптики из водорастворимых кристаллов, оптических стекол или стеклокерамики. («Magnetorheological finishing: new fluids for new materials», Stephen D. Jacobs, Aric B. Shorey, Optical Fabrication and Testing 2000, https://doi. org/10.1364/OFT.2000.OWB1).

В статье «Manipulating mechanics and chemistry in precision optics finishing)) (Stephen D. Jacobs, Science and Technology of Advanced Materials, V. 8, N. 3, p. 153-157, 2007, DOI 10.1016/j.stam.2006.12.002) отмечается, что новые процессы субапертурной полировки, такие как магнитореологическая обработка, могут сглаживать различные структурные дефекты поверхности. Этим методом возможно обрабатывать сложные для финишной обработки оптические материалы, такие как мягкий полимерный полиметилметакрилат, микроструктурированный поликристаллический сульфид цинка и водорастворимый монокристаллический дигидрофосфат калия (KDP). Этим методом была успешно удалена поверхностная микроволнистость кристалла KDP. Среднеквадратическая шероховатость поверхности была уменьшена до 2 нм с улучшением порога лазерного повреждения. Недостатком данной рецептуры является применение в качестве абразива наночастиц алмаза, диспергированных в жидкости-носителе эфире дикарбоновой кислоты. Удаление с обработанной поверхности KDP магнитореологической суспензии с остатками абразива вызывает большие трудности.

Из статей «Разработка магнитоструктурирующихся жидкостей с управляемой реологией для технологии финишного полирования оптических изделий» (Русецкий A.M., Новикова З.А., Городкин Г.Р., Коробко Е.В. // Доклады НАН Беларуси, 2011, Т. 55, №5, с. 97-104) и «Применение магнитореологических методов обработки оптических деталей на серии автоматизированных полировально-доводочных станков» (Глеб Л.К., Городкин Г.Р., Горшков В. А., Хлебников Ф.П., Семенов Е.В. // Оптический журнал, 2011, Т. 78, №4, с. 33-36) известны магнитореологические жидкости (МРЖ) для полирования, состоящие из твердой и жидкой фаз. В состав твердой фазы входят карбонильное железо со средним размером частиц 14 мкм и абразив (диоксид церия, алмазный микропорошок и др.).

Общим недостатком предлагаемых составов является то, что в жидкой фазе помимо воды находятся сода, глицерин, ПАВ. Для обработки поверхности водорастворимого кристалла KDP эти составляющие являются непригодными, вызывающими помутнение поверхности, образование белесого налета, неудаляемого промыванием, что ухудшает качество оптической поверхности. Также содержащиеся в составе магнитореологической жидкости компоненты могут способствовать уменьшению «времени жизни» МРЖ, коррозии частиц карбонильного железа, что ведет к снижению эксплуатационных характеристик МРЖ.

В качестве прототипа выбрана суспензия, описанная в статье «Magnetic composite fluid optimization for KDP crystal polishing based on a D-optimal mixture design» (https://doi.org/10.1364/AO.481344). Авторы применяют для полирования поверхности кристаллов KDP сложную по составу магнитную жидкость на неводной основе. Она содержит дисперсную фазу в виде порошка карбонильного железа (средний диаметр частиц 3 мкм) в количестве 39,96 масс.% и порошка Fe₃O₄ (средний диаметр частиц 20 нм) в количестве 25,04 масс.%, являющегося абразивом. Дисперсионной средой (жидкой основой) является додециловый спирт (додекан-1-ол) в количестве 20 масс.% с добавкой ПАВ (Triton Х-100) и загущающего гелеобразующего компонента (α-целлюлозы). При обработке поверхности кристаллов KDP этой магнитореологической жидкостью применяется принцип физико-механического воздействия с помощью абразива и физико-химического воздействия с помощью микроэмульсий типа «вода в масле». Данный состав, как заявляют авторы, обеспечивает шероховатость поверхности кристаллов KDP после 60 минут полировки 7,5 нм.

Однако стабильность и эксплуатационные свойства такой магнитореологической суспензии невысоки. При использовании ее в условиях высокоинтенсивного сдвигового потока происходит необратимое разрушение пространственной сетки загустителя, что приводит к потере системой гелеобразующих свойств и устойчивости композиции. Наличие в составе магнитной жидкости ПАВ (Triton Х-100) ухудшает качество поверхности и оптические свойства кристаллов KDP из-за возможной адсорбции ПАВ на их поверхности.

Основными требованиями, предъявляемыми к жидкости-носителю, являются низкая летучесть, негорючесть при комнатной температуре, высокая температура вспышки, устойчивость к потенциально агрессивным средам, инертность по отношению к компонентам МРС, в том числе, к карбонильному железу, низкая токсичность, вязкость в диапазоне 5-10 сП, инертность к оптической поверхности монокристаллов KDP. К таким жидкостям относят высшие жидкие углеводороды, галогенированные углеводороды, высшие спирты, сложные эфиры/диэфиры (например, сложные эфиры дикарбоновых кислот), соединения азота/амины, полифункциональные соединения (например, алкоксиспирты).

Из различных типов жидкостей-носителей сложные эфиры дикарбоновых кислот, длинноцепочечные спирты и алкоксиспирты обладают свойствами, которые делают их пригодными для применения в качестве основы МРС. Однако соединения с длинной углеродной цепью являются гидрофобными, что затрудняет очистку оптики и устройств магнитной реологии. Полифункциональные соединения, такие как алкоксиспирты, имеют как гидрофильные, так и гидрофобные функциональные группы, что делает их совместимыми как с неполярными, так и с полярными растворителями. Они не влияют на компоненты МРС, а после обработки легко удаляются с поверхности кристаллов и рабочего инструмента.

Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является разработка магнитореологической суспензии, обладающей высокой стабильностью и обеспечивающей достижение величины шероховатости поверхности водорастворимых кристаллов группы KDP не более 15 Å после их полировки.

Технический результат достигается за счет того, что разработанная магнитореологическая суспензия, так же как и суспензия - прототип содержит жидкую основу, порошок карбонильного железа, структурирующий наполнитель, абразив и ПАВ. Новым в разработанном составе суспензии является то, что жидкой основой является гликолевый эфир, в качестве структурирующего наполнителя используется коллоидный диоксид кремния, абразивом является нанопорошок, выбираемый из группы, состоящей из оксидов кремния, алюминия, титана или церия (IV), в качестве ПАВ используется додекан-1-ол при следующих соотношениях компонентов, масс.%: гликолевый эфир - 19,0; коллоидный диоксид кремния - 0,5; нанопорошок оксидов кремния, алюминия, титана или церия (IV) 0,5; додекан-1-ол 0,8; порошок карбонильного железа - до 79,2.

В частном случае в качестве гликолевого эфира используется бутилдигликоль.

Изобретение поясняется следующими фигурами.

На фиг. 1 приведено изображение поверхности оптического элемента KDP до магнитореологической обработки.

На фиг. 2 приведено изображение поверхности оптического элемента KDP после магнитореологической обработки с помощью разработанной МРС.

Магнитореологическая обработка позволяет улучшить шероховатость, устранить возникающие микротрещины (подповерхностные повреждения) и снизить остаточные напряжения, возникающие в процессе алмазного микрофрезерования.

Разработанная магнитореологическая суспензия представляет собой дисперсионную среду - жидкую основу (гликолевый эфир) и дисперсную фазу: магнитные частицы (карбонильное железо), абразив (нанодисперсный порошок оксида кремния, алюминия, титана или церия (IV)), структурирующий наполнитель (аэросил - коллоидный диоксид кремния), ПАВ (додекан-1-ол).

В качестве ферромагнитной дисперсной фазы могут применяться порошки ферромагнитных материалов микронного и субмикронного размеров, такие как карбонильное железо. Структура частиц карбонильного железа луковичная. Они состоят из чередующихся концентрических слоев, что обусловливает его особые электрофизические свойства - низкие величины коэффициентов раздельных потерь. Каждый слой состоит из железа, карбида, нитрида и оксида железа. Частицы карбонильного железа имеют практически идеальную сферическую форму, высокую монодисперсность (1-10 мкм) и высокую микротвердость (в 3-4 раза тверже частиц любых железных порошков). В частном случае в составе разработанной магнитореологической суспензии в качестве ферромагнитной фазы используется магнитомягкий порошок карбонильного железа марки Р-10 (ГОСТ 13610-79) с частицами шарообразной формы диаметром 2-5 мкм. Коэрцитивная сила порошка Р-10 составляет 6,4 А/м, намагниченность насыщения 2,2 Тл.

В качестве дисперсионных сред могут использоваться гидравлическая жидкость, масло вакуумное, перфторированные углеводороды. В разработанной магнитореологической суспензии используется монобутиловый эфир диэтиленгликоля, или 2-(2-бутоксиэтокси)этанол, или бутилдигликоль, являющийся органическим соединением, относящимся к простым гликолевым эфирам. Это бесцветная жидкость со слабым запахом и температурой кипения 230°С (503 К), растворима в воде, этаноле, этиловом эфире, ацетоне. В основном используется в качестве растворителя для красок и лаков в химической промышленности, бытовых моющих средств, химикатов для пивоварения и обработки текстиля. В качестве дисперсионных сред могут использоваться и другие жидкости с аналогичными физико-химическими свойствами.

В магнитореологических суспензиях сильные магнитовязкие эффекты наблюдаются в широком диапазоне скоростей сдвига. Однако эти суспензии неустойчивы по отношению к седиментации частиц, так как массивные не броуновские частицы карбонильного железа быстро оседают под действием гравитационного поля. Поэтому магнитные суспензии должны сочетать седиментационную устойчивость с сильными магнитореологическими свойствами. Бидисперсные магнитные суспензии, состоящие из микронных намагничивающихся частиц, взвешенных в несущей жидкости с нанодисперсной фазой аморфного силикагеля, удовлетворяют этим условиям.

В качестве структурирующего и стабилизирующего наполнителя в составе разработанной МРС применяется пирогенный диоксид кремния (аэросил) - коллоидный диоксид кремния (SiO₂), представляющий собой легкий микронизированный порошок с выраженными адсорбционными свойствами. Седиментационная устойчивость МРС связана со статическим пределом текучести. Магнитореологическая суспензия будет седиментационно устойчивой в случае, если статический предел текучести будет способен удержать частицу максимального размера. Чем выше плотность магнитоактивного наполнителя, тем меньше должна быть его дисперсность.

В качестве абразивов используются «мягкие» абразивные материалы со сферической формой частиц. В разработанной магнитореологической суспензии это порошки наночастиц оксида кремния, алюминия, титана или церия (IV). Порошок наночастиц оксида кремния представляет собой аморфный SiO₂ с содержанием основного вещества не менее 99,8% и средним размером частиц не менее 50 нм. Порошок наночастиц оксида алюминия представляет собой α-Al₂O₃ с содержанием основного вещества не менее 99,8% (насыпная плотность 0,6-1,7 г/см³) со средним размер частиц не менее 50 нм. Порошок наночастиц оксида титана представляет собой TiO₂ в форме рутила с содержанием основного вещества не менее 99,8% (насыпная плотность 0,5-2,0 г/см²) со средним размером частиц не менее 50 нм. Порошок наночастиц оксида церия (IV) представляет собой СеО₂ с содержанием основного вещества не менее 99,8% и средним размером частиц не менее 50 нм.

Для эффективного совмещения частиц карбонильного железа, которые являются твердой гидрофильной высокоэнергетической дисперсной металлической фазой, с жидкой средой используют адсорбционное модифицирование дисперсной фазы с помощью поверхностно-активных веществ (ПАВ). Образуя, вследствие адсорбции на поверхности частиц твердой фазы, прочно закрепленные слои ориентированных молекул, ПАВ позволяют увеличить сродство металла с жидкой средой, улучшить смачивание частиц железа и распределение их в жидкости-носителе, что способствует развитию коагуляционного структурообразования в системе и повышению физико-механических свойств магнитореологического материала. В качестве ПАВ в разработанной магнитореологической суспензии используется неионогенное вещество додециловый спирт (додекан-1-ол). Применение указанного ПАВ для целей адсорбционного модифицирования карбонильного железа улучшает физико-механические характеристики магнитореологической суспензии, в частности, снижается склонность наполнителя к агрегированию, повышается дисперсность наполнителя в жидкой фазе, возрастает стабильность МРС.

Для приготовления магнитореологической суспензии компоненты используют в состоянии поставки. Способ получения магнитореологической суспензии состоит в следующем. Вначале смешивают порошок карбонильного железа и жидкость-основу. Для ускорения процесса диспергирования суспензии железа и повышения ее агрегативной устойчивости в нее вводят структурирующий наполнитель (стабилизатор) - коллоидный диоксид кремния (аэросил). После диспергирования в шаровой мельнице в суспензию вводят абразив (порошок наночастиц оксида кремния, алюминия, титана или церия (IV)) и дополнительно диспергируют в шаровой мельнице.

Разработанная магнитореологическая суспензия подается посредством насоса из сопла на твердую немагнитную поверхность вращающегося инструмента (вращающееся колесо с выпуклым ободом в виде ленты, располагающееся с определенным зазором от движущегося зафиксированного оптического элемента). Источник магнитного поля, расположенный внутри движущегося колеса, генерирует неоднородное магнитное поле с градиентом в зоне обработки, направленным по нормали к поверхности колеса. Под действием магнитного поля (более 0,3 Тл) в рабочей зоне возрастает вязкость магнитореологической суспензии. МРС подается на вращающееся колесо с помощью системы гидравлической подачи в зону воздействия магнитного поля (в область полюсных наконечников магнита). МРС под воздействием неоднородного градиентного магнитного поля прижимается к поверхности вращающегося колеса, приобретая вид узкой дорожки, и движется вместе с колесом. Таким образом, в точке соприкосновения дорожки с поверхностью оптического элемента получается точечный (зональный) полировальный инструмент.В зоне контакта МРС с оптическим элементом действует магнитное поле, под влиянием которого суспензия переходит в пластическое состояние, разделяется на два слоя: первый представляет собой структурированные, нежестко связанные между собой ферромагнитные частицы, второй - жидкая фаза с наноабразивом. За счет увеличения вязкости магнитореологической суспензии она становится субапертурным полировальным инструментом. Когда вязкая МРС выходит из магнитного поля вращающегося колеса, она возвращается в состояние неструктурированной вязкой жидкости и используется повторно. Поверхность обрабатываемой детали приводится в контакт с МРС и между ней и поверхностью рабочего инструмента выдерживается контролируемый зазор. В зоне контакта обрабатываемой поверхности оптического элемента и МРС при воздействии неоднородного магнитного поля формируется небольшая по размерам рабочая зона - область локальной обработки или пятно обработки. В рабочей зоне образуется твердофазное ядро. Между ядром и поверхностью оптического элемента, где сдвиговые напряжения минимальны, происходит сдвиговое тонкослойное течение жидкой фазы МРС с частицами абразива. Твердофазное ядро, выполняющее роль эластичной подложки, и жидкая фаза с частицами абразива, образующие полирующую среду, составляют полирующую систему.

Для полировки оптического элемента используется напряжение сдвига МРС. За счет разности скоростей движения основы полировального инструмента и обрабатываемой поверхности оптического элемента создаются сдвиговые деформации в МРС, что обеспечивает унос с поверхности тончайших слоев материала. Скорость удаления материала с поверхности оптического элемента управляется временем воздействия. Радиус и скорость вращения, определяющие угловую скорость вращения рабочего инструмента, приспособлены для обеспечения управления качеством обработки поверхности оптического элемента. Формируемый магнитным полем полировальный инструмент обладает постоянными физическими и полирующими свойствами, поскольку его стабильность зависит от постоянства вязкости МРС. Полирующие способности инструмента не изменяются в течение длительного промежутка времени.

Магнитореологическая обработка оптических элементов позволяет реализовать полирование поверхности изделия и обеспечивает равномерный съем тончайшего слоя материала.

Разработанная магнитореологическая суспензия не теряет свои эксплуатационные свойства в течение 6 месяцев. За счет введения коллоидного диоксида кремния в качестве структурирующего наполнителя сохраняется седиментационная устойчивость суспензии, а за счет введения в ее состав додекан-1-ола (ПАВ) сохраняется агрегативная устойчивость и повышается стабильность. Разработанная рецептура позволяет использовать МРС для обработки оптических элементов неоднократно. После однократного применения МРС возможно ее повторное использование в течение 7 суток без потери МРС эксплуатационных свойств.

Соотношения компонентов в разработанной суспензии подобраны авторами экспериментальным путем для оптимального решения поставленной задачи.

Результатом обработки с помощью разработанной МРС является удаление дифракционной решетки, образующейся на поверхности оптического элемента KDP в ходе алмазного микрофрезерования, и улучшение шероховатости обрабатываемой поверхности (см. фиг. 1 и фиг. 2). На фиг. 1 представлено изображение поверхности оптического элемента KDP, полученное с помощью интерференционного профилометра Maxim-GP 200 (Zygo Corporation), до магнитореологической обработки непосредственно после алмазного микрофрезерования. Качество поверхности оптического элемента характеризуется следующими величинами: R_a - среднее арифметическое из абсолютных значений отклонений профиля в пределах базовой длины, rms - среднеквадратичное значение или наименьший средний квадрат. До обработки разработанной МРС R_a=26 Å, rms=33 Å.

На фиг. 2 представлено изображение поверхности оптического элемента KDP, полученное с помощью интерференционного профилометра Maxim-GP 200 (Zygo Corporation), после магнитореологической обработки разработанной МРС. R_a=5 Å, rms=6 Å.

Таким образом, разработанная магнитореологическая суспензия обладает высокой стабильностью и обеспечивает величину шероховатости поверхности водорастворимых кристаллов группы KDP не более 15 Å после их полировки.

Изобретение относится к составам магнитореологических суспензий (МРС), которые могут быть использованы как рабочая среда для оптико-механической обработки (полирования) поверхности широкого класса водорастворимых кристаллов, применяющихся в качестве оптических элементов в приборостроительной, электронной и других отраслях промышленности, например, водорастворимых кристаллов группы KDP, - таких как мягкий полимерный полиметилметакрилат, микроструктурированный поликристаллический сульфид цинка и водорастворимый монокристаллический дигидрофосфат калия. Разработанная магнитореологическая суспензия обладает высокой стабильностью и обеспечивает величину шероховатости поверхности водорастворимых кристаллов группы KDP не более 15 Å после их полировки, что является техническим результатом, который достигается тем, что МРС содержит, в масс.%: гликолевый эфир - 19,0; коллоидный диоксид кремния - 0,5; нанопорошок оксидов кремния, алюминия, титана или церия (IV) - 0,5; додекан-1-ол - 0,8; порошок карбонильного железа - до 79,2. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Магнитореологическая суспензия, содержащая жидкую основу, порошок карбонильного железа, структурирующий наполнитель, абразив и поверхностно-активные вещества, отличающаяся тем, что жидкой основой является гликолевый эфир, в качестве структурирующего наполнителя используется коллоидный диоксид кремния, абразивом является нанопорошок, выбираемый из группы, состоящей из оксидов кремния, алюминия, титана или церия (IV), в качестве поверхностно-активных веществ используется додекан-1-ол при следующих соотношениях компонентов, масс.%: гликолевый эфир – 19,0; коллоидный диоксид кремния – 0,5; нанопорошок оксидов кремния, алюминия, титана или церия (IV) – 0,5; додекан-1-ол – 0,8; порошок карбонильного железа – до 79,2.

2. Магнитореологическая суспензия по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве гликолевого эфира используется бутилдигликоль.