Полирање оптичког стакла је последњи и најкритичнији процес у одређивању квалитета слике оптичких компоненти. Било да се ради о сочивима камера, објективима микроскопа или високопрецизној оптици која се користи у ласерским системима, храпавост површине, дубина оштећења под површином и тачност облика у великој мери зависе од система абразива за полирање. За разлику од брушења, које се првенствено ослања на механичко уклањање материјала, полирање оптичког стакла је хемо-механички процес у којем и хемијске реакције и механичка абразија делују заједно. Стога, избор абразива за полирање директно утиче и на процес полирања и на коначни квалитет површине.
1. Механизам за уклањање материјала
Уклањање материјала током полирања оптичког стакла не постиже се искључиво механичким гребањем абразивним честицама. Код хидратисаног силикатног стакла, локализоване хемијске реакције се дешавају између абразивних честица и површине стакла под притиском и релативним кретањем, формирајући мекши хидратисани слој. Овај слој се затим механички уклања абразивима, а циклус се континуирано понавља.
Овај механизам хемо-механичког полирања (CMP) омогућава прецизно уклањање материјала нанометарске величине, уз минимизирање крхких ломова и ширења подповршинских пукотина које се обично повезују са брушењем. Сходно томе, хемијска активност абразива постаје кључни фактор перформанси, поред тврдоће и величине честица.
2. Главни системи за полирање и абразивно полирање
2.1Церијум оксид (CeO2)
Полирни прах церијум оксида (CeO2) тренутно је најшире коришћени абразивни систем за полирање оптичког стакла. Његова предност лежи у јакој хемијској реактивности која је резултат валентног померања Ce3+/Ce4+, што му омогућава да реагује са силицијум-кисеоничном мрежом на површини стакла и ствара међупроизводе церијум силиката. Ово омогућава велике брзине уклањања материјала под релативно ниским механичким притиском, уз истовремено постизање одличне завршне обраде површине. Перформансе полирног праха церијум оксида су уско повезане са његовом чистоћом, кристалном структуром (углавном флуорит), расподелом величине честица и морфологијом честица. Производи индустријског квалитета обично захтевају контролу односа Ce/RE, садржаја нечистоћа ретких земаља и удела агломерираних честица.
Штавише, неки прашкови за полирање церијум оксида индустријског квалитета су такође модификовани допирањем реткоземним елементима као што је лантан (La). Ефекти допирања су углавном двоструки: прво, разлика у јонском радијусу између La3+ и Ce4+ изазива изобличење решетке и повећава концентрацију кисеоничних ваканција, што додатно побољшава активност валентне транзиције Ce3+/Ce4+, чиме се побољшава ефикасност хемијског уклањања; друго, допирање може побољшати дисперзибилност честица и инхибирати агломерацију, што резултира бољом уједначеношћу површине након полирања.
2.2 Цирконијум (ZrO2)
Прашкови за полирање од цирконијум оксида (ZrO2) имају слабију хемијску активност од церијум оксида, што резултира релативно мањом брзином уклањања материјала. Међутим, нуде већу тврдоћу и отпорност на хабање, што их чини погодним за примене где брзина уклањања материјала није критична, али су једнообразност површине и дугорочна стабилност полирања од највеће важности. Често се користе у комбинацији са церијум оксидом како би се уравнотежила брзина уклањања и квалитет површине.
2.3 Алумина (Al2O3)
Абразиви од алуминијумског оксида (Al2O3) имају високу тврдоћу и релативно слабу хемијску активност. Уклањање материјала се првенствено постиже механичким дејством. Често се користе у процесима финог брушења или грубог полирања пре финалног полирања, обезбеђујући уједначено почетно стање површине за накнадно фино полирање. Ретко се користе сами за финално фино полирање.
2.4 Силицијум диоксид (SiO2)
Колоидне честице силицијум диоксида су фине и скоро сферног облика, показујући благи механички ефекат абразије. Погодне су за полирање врхунских оптичких компоненти које захтевају изузетно високу храпавост површине и веома су осетљиве на оштећења под површином. Међутим, њихова ефикасност уклањања материјала је релативно ниска, а процес је дуготрајан. Обично се користе у завршној фази полирања полупроводничке оптике и прецизних инструмената.
3. Утицај расподеле величине честица и морфологије
Расподела величине честица абразива за полирање директно одређује доњу границу храпавости површине и горњу границу ефикасности полирања. Превише грубе честице ће оставити огреботине на површини, док ће превише фине честице значајно смањити брзину уклањања. Поред просечне величине честица, ширина расподеле величине честица је подједнако важна – претерано широка расподела указује на присуство малог броја грубих честица, које могу лако изазвати локализоване огреботине. Ово је такође важна основа за процену квалитета праха за полирање, посебно у погледу контроле агломерације честица и нивоа процеса градирања.
Што се тиче морфологије честица, сферне или скоро сферне честице су погодније за добијање површина са ниском храпавошћу него угласте честице. То је такође предност колоидних метода и хидротермалних метода у поређењу са традиционалним методама механичког млевења.
4. Захтеви за низводну примену
Тренутно, релевантне низводне примене углавном укључују оптичке уређаје, прецизно оптичко стакло, равно стакло и ЛЦД панеле, између осталог. Међутим, различити сценарији примене имају различите захтеве за квалитет и чистоћу површине:
① Приликом полирања оптичких уређаја као што су сочива камера и објективи телескопа, главни захтев је постизање контроле храпавости површине на наноразмери како би се осигурала пропустљивост светлости и квалитет слике. Ове примене се често виђају у астрономском посматрању и медицинском снимању.
② Прецизно полирање оптичког стакла захтева прецизно усклађивање између брзине уклањања материјала и равности површине како би се избегло прекомерно или недовољно полирање, а у складу са захтевима тачности површине врхунских оптичких система.
③ У области равног стакла, посебно код полирања ултратанких стаклених подлога за ЛЦД дисплеје, потребна је висока укупна равност, што је чини једним од основних корака у производњи 4K/8K дисплеја.
④ Код полирања ЛЦД панела, формулација праха за полирање такође мора узети у обзир контролу контаминације металним јонима како би се избегло да резидуални метални јони утичу на принос накнадне производње чипа и стабилност перформанси екрана.
5. Закључак
Итерација формулације полирајућег праха на бази церијум оксида у великој мери зависи од контроле чистоће и могућности вишеструког пропорционисања сировина ретких земаља узводно. Ово поставља високе захтеве за стабилност снабдевања сировинама ретких земаља и ниво рафинисане обраде. Концентрисани ресурси ретких земаља у Кини и комплетан индустријски ланац прераде рафинисаних једињења ретких земаља пружају предност у погледу сировина за истраживање и развој допирања и модификације и производњу праха за полирање церијум оксида у великим размерама. Ово је такође један од основних услова да домаћи произвођачи имају снажне могућности прилагођавања формулације и осигурања производних капацитета у овој области.
Укратко, избор абразива за полирање оптичког стакла у суштини подразумева тражење равнотеже између ефикасности уклањања, квалитета површине и трошкова процеса. Захтева свеобухватну процену на основу материјала стакла, захтева за прецизност компоненти и везе са накнадним процесима.