KDP软脆功能晶体水溶解超精密抛光加工原理

内容简介本书针对我国核能源和国防领域对磷酸二氢钾(potassium  dihydrogen phosphate，KDP)软脆功能晶体近无损伤超精密加工技术的迫切需求，以及KDP晶体易潮解、脆性大、各向异性强等难加工特性给其超精密加工带来的极大挑战，创新提出了水溶解超精密抛光加工原理。本书系统地介绍了KDP晶体的结构特性、弹塑性力学性能与损伤规律，阐明了KDP晶体微纳潮解材料去除机理和可控水溶解超精密加工原理、工艺方法，并给出了加工案例。本书不仅向读者介绍了一种先进的KDP晶体超精密抛光加工新技术，还向读者提供了一个将“潮解”这一有害的自然现象转化为有用的超精密加工技术手段的成功案例。
本书可作为精密和超精密加工工程领域科研人员和技术人员的参考资料，也可以供高等学校机械工程、材料科学与工程等相关专业高年级本科生及研究生学习参考。

序
前言
1易潮解软脆功能晶体材料及其应用1
1.1易潮解软脆功能晶体的定义和分类1
1.2易潮解软脆功能晶体材料的应用1
1.2.1几种常见的易潮解软脆功能晶体材料1
1.2.2KDP晶体的结构性质3
1.2.3KDP晶体的主要应用4
1.2.4ICF系统对光学元件加工的要求6
1.3几种常见的易潮解软脆功能晶体加工方法概述7
1.3.1KDP晶体加工工艺流程概述8
1.3.2单点金刚石车削技术9
1.3.3超精密磨削技术10
1.3.4磁流变修形技术11
1.3.5离子束修形技术12
1.4易潮解软脆功能晶体超精密加工面临的挑战13
参考文献14
2KDP晶体的结构特点和潮解规律19
2.1KDP晶体的结构、物理性质和化学性质19
2.1.1KDP晶体的结构19
2.1.2KDP晶体的物理性质22
2.1.3KDP晶体的化学性质23
2.2KDP晶体的潮解现象与潮解表征25
2.2.1KDP晶体的潮解现象25
2.2.2潮解产物成分的预测与分析26
2.2.3潮解产物晶体类型分析28
2.2.4KDP晶体的潮解表征29
2.2.5潮解程度的评价方法与评价指标31
2.3环境条件对KDP晶体潮解速度的影响33
2.3.1温度对KDP晶体潮解速度的影响34
2.3.2相对湿度对KDP晶体潮解速度的影响35
2.3.3表面质量对KDP晶体潮解速度的影响36
参考文献37
3KDP晶体弹塑性力学性能与损伤规律38
3.1KDP晶体弹性力学性能的理论分析38
3.1.1KDP晶体弹性模量理论分析38
3.1.2KDP晶体剪切模量理论分析40
3.2KDP晶体塑性力学性能的压痕试验与分析42
3.2.1纳米压痕试验42
3.2.2压痕尺寸效应分析44
3.2.3不同压头形状对纳米硬度的影响50
3.2.4压痕加载位移曲线分析51
3.2.5压痕表面形貌分析54
3.2.6各向异性对纳米硬度和弹性模量的影响55
3.3材料的各向异性对微纳划痕结果的影响58
3.3.1KDP晶体在纳米尺度下的变形和摩擦学特性试验分析58
3.3.2KDP晶体在微米尺度下的变形和摩擦学特性试验分析66
3.4KDP晶体压痕断裂试验与结果分析71
3.4.1KDP晶体压痕断裂试验方法72
3.4.2维氏硬度压痕尺寸效应和各向异性试验研究72
3.4.3断裂韧性试验分析75
参考文献82
4基于微乳液的KDP晶体水溶解材料去除原理与平坦化机制85
4.1KDP晶体水溶解抛光原理85
4.2微乳液及其性能表征87
4.2.1微乳液的结构87
4.2.2微乳液基载液的优选89
4.2.3表面活性剂的优选90
4.2.4微乳液的配制91
4.2.5电导率表征95
4.2.6黏度表征98
4.2.7自扩散特性表征99
4.2.8水分子微囊尺寸表征103
4.3基于微乳液的KDP晶体水溶解抛光机理分析105
4.3.1材料去除模型的建立105
4.3.2材料去除机理试验验证107
4.3.3材料去除机理试验结果与分析109
4.3.4抛光前后晶体表面化学成分分析115
4.4工艺条件和参数对KDP晶体抛光效果影响的试验与分析117
4.4.1工艺条件对KDP晶体水溶解抛光效果的影响117
4.4.2抛光垫对加工过程的影响118
4.4.3不同晶面的KDP晶体材料去除率和表面形貌对比119
4.4.4抛光液对KDP晶体材料去除率和表面形貌的影响121
4.4.5抛光加工参数对KDP晶体材料去除率和表面形貌的影响124
4.4.6KDP晶体水溶解抛光后面形精度131
参考文献132
5KDP晶体可控溶解原理及材料去除与平坦化机制134
5.1KDP晶体可控溶解的概念134
5.1.1晶体的结晶与溶解134
5.1.2晶体的生长与逆生长137
5.1.3KDP晶体可控溶解加工方法的提出139
5.2KDP晶体可控溶解抛光机理140
5.2.1KDP晶体材料可控去除机理140
5.2.2实现材料可控去除加工的装置140
5.3可控溶解环境对材料去除率的影响141
5.3.1试验条件及参数设定141
5.3.2KDP溶液浓度对可控溶解材料去除率的影响142
5.3.3KDP溶液温度对可控溶解材料去除率的影响143
5.3.4环境相对湿度对可控溶解材料去除率的影响144
5.3.5KDP溶液流动性对可控溶解材料去除率的影响144
5.4可控溶解表面平坦化机制147
5.4.1KDP晶体表面微观形貌的平坦化模型147
5.4.2可控溶解中抛光垫对表面平坦化过程的协同作用150
5.5工艺参数对KDP晶体可控溶解抛光效果的影响151
5.5.1抛光垫对KDP晶体可控溶解抛光效果的影响152
5.5.2不同晶面的逆生长抛光效果154
5.5.3可控溶解抛光液对晶体抛光效果的影响157
5.5.4抛光加工参数对表面形貌及材料去除率的影响161
5.5.5KDP晶体可控溶解抛光后的面形误差169
5.5.6基于浓度调控策略的可控溶解抛光工艺初探169
参考文献171
6KDP晶体小磨头超精密数控抛光轨迹规划与工艺173
6.1KDP晶体水溶解超精密数控抛光试验系统与设备173
6.2水溶解抛光材料去除函数的建立174
6.3材料去除函数若干系数的试验修正178
6.3.1试验条件及去除函数检测方法178
6.3.2抛光液含水量对去除函数系数的影响178
6.3.3行星运动公转自转方向对去除函数系数的影响180
6.3.4抛光过程中温度变化对去除函数系数的影响184
6.3.5抛光转速对去除函数系数的影响187
6.3.6抛光压强对去除函数系数的影响188
6.3.7常系数K的试验测定190
6.3.8基于水溶解原理的KDP晶体超精密数控抛光去除稳定性分析192
6.4小磨头数控超精密抛光驻留时间函数的确定197
6.4.1驻留时间求解197
6.4.2三种常用抛光轨迹分析200
6.4.3三种常用抛光轨迹加工效果对比202
6.5工艺条件和参数对抛光结果的影响规律204
6.5.1试验方法及条件204
6.5.2不同抛光垫加工效果分析及优选207
6.5.3抛光设备运动参数对表面粗糙度RMS的影响208
6.6KDP晶体单点金刚石车削表面纹理消减试验与技术验证213
6.6.1车削样件分析213
6.6.2去除函数及抛光轨迹215
6.6.3去除效果分析217
6.6.4抛光后晶体表面功率谱密度分析220
参考文献223
7大尺寸KDP晶体超精密水溶解环形抛光工艺225
7.1超精密水溶解环形抛光方法概述225
7.2超精密水溶解环形抛光水核运动模型226
7.3机床运动形式对抛光轨迹均匀性影响的仿真分析228
7.4抛光垫表面沟槽结构对轨迹均匀性影响的仿真分析232
7.5超精密水溶解环形抛光原理样机及抛光试验系统构建236
7.5.1超精密水溶解环形抛光原理样机236
7.5.2抛光液多点可变位滴定装置238
7.5.3风淋装置240
7.5.4晶体夹持装置241
7.6工艺参数对KDP晶体环形抛光效果的影响242
7.6.1不同表面沟槽抛光垫试验242
7.6.2不同转速比试验243
7.6.3不同运动形式试验244
7.6.4最佳工艺参数下大尺寸KDP晶体双面加工试验246
参考文献248
8KDP晶体水溶解抛光表面残留物分析及清洗方法250
8.1水溶解抛光表面残留物对KDP晶体光学性能的影响250
8.1.1表面残留物对抛光表面质量的影响250
8.1.2表面残留物对晶体光学透过率的影响253
8.1.3表面残留物对激光损伤阈值的影响254
8.1.4表面残留物对镀膜膜层的影响257
8.2抛光后表面残留物的性态及吸附机理分析259
8.2.1抛光后表面残留物的性态分析259
8.2.2抛光后表面残留物的吸附机理分析268
8.3KDP晶体的清洗机理及清洗液的性能与表征275
8.3.1表面残留物的润湿功计算275
8.3.2表面残留物的清洗机理分析280
8.3.3清洗液的性能与表征283
8.3.4清洗液的清洗性能研究287
8.4抛光后表面清洗工艺的试验与效果分析290
8.4.1清洗工艺的提出291
8.4.2清洗工艺的清洗原理分析292
8.4.3清洗工艺的试验验证295
8.4.4KDP晶体最优清洗工艺的清洗效果分析302
8.4.5新型全自动清洗装置研制303
参考文献305
索引307