本发明涉及一种模具，尤其是抛光蓝宝石晶片的内含钕化物软质磨料固着磨具及其制作方法。
背景技术：
蓝宝石，又称白宝石，与天然宝石具有相同的光学特性和力学特性，有着很好的热特性，极好的电气特性和介电特性，并且防化学腐蚀，对红外线透过率高，有很好的耐磨性，硬度仅次于金刚石，为莫氏9级，在高温下仍具有较好的稳定性，熔点为2030摄氏度，被广泛应用于工业、国防、科研等领域，越来越多地用作固体激光、红外窗口、半导体芯片的衬底片、精密耐磨轴承等高技术领域中零件的制造材料，如地对地、地对空导弹的红外窗口，高温压敏传感器的窗口等。
蓝宝石由于硬度大且脆性大，对其进行机械加工非常困难，晶片加工技术更加复杂。目前我国蓝宝石晶片加工工艺在批量生产中有如下不足之处：1.加工过程中蓝宝石片去除效率低；2.抛光后，蓝宝石片表面粗糙度高。
目前市场上的蓝宝石表面超精密抛光，其抛光组合物磨料主要成分为纳米二氧化硅。在碱性条件下，纳米二氧化硅与蓝宝石表面形成硅酸铝，在机械力的作用下对蓝宝石进行磨削、抛光。由于蓝宝石的高硬度与极强的抗腐蚀性，提高加工效率和表面质量一直以来是蓝宝石加工过程中的难题，并且由于现在使用的游离磨料，使用后处理过程复杂，其中的化学物质容易对环境产生污染。长久以来，表面质量良好、抛光去除率高、环保的抛光模具一直是研究的热点。因此，本发明提供了一种抛光蓝宝石的去除率高、加工表面粗糙度低的基于内含钕化物软质磨料固着磨具。
技术实现要素：
本发明的目的是为了克服现有蓝宝石晶片抛光效率低、成本高的不足，本发明提供一种加工表面质量好、加工效率高、生产成本低的抛光蓝宝石晶片的内含钕化物软质磨料固着磨具及其制作方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种抛光蓝宝石晶片的内含钕化物软质磨料固着磨具，所述内含钕化物软质磨料固着磨具原料的配制：按照质量百分比，纳米二氧化硅40％～60％、粘结剂20％～40％、固化剂10％～15％、钕化物5％～10％、其余为去离子水。
优选的，所述粘接剂为氧化镁。
优选的，所述固化剂为氯化镁、酚醛-缩醛树脂或酚醛-环氧树脂。
优选的，所述纳米二氧化硅的粒度为80～100nm.
优选的，所述钕化物为硝酸钕、氯化钕、氧化钕或氟化钕，均为纳米级粉末状颗粒。
一种抛光蓝宝石晶片的内含钕化物软质磨料固着磨具的制作方法，在去离子水中加入固化剂，并搅拌使其溶解，随后加入结合剂、纳米二氧化硅、钕化物等，将其搅拌均匀；将配置好的配料在模具中热压成形，脱模后完成热固化，并对其上下端面进行修整，保证磨具上下端面的平整度和平行度，得到内含钕化物的软质磨料固着磨具。
本发明的技术构思为：采用硬度比蓝宝石晶片硬度低的软质磨料以及钕化物，配制成固着磨料磨具，加工过程中，钕化物既是一种催化剂，降低了蓝宝石晶片与二氧化硅反应所需的能量，同时作为反应物又可与软质磨料和蓝宝石晶片之间发生固相反应，在蓝宝石晶片表面形成一层软质的、易去除的反应生成物层，并利用后续磨料与生成物层之间的摩擦作用将生成物层去除，从而实现蓝宝石晶片的抛光，相比于纯二氧化硅，它的反应更加容易进行，能更容易并产生更多软质的、易去除的反应生成物，使加工粗糙度更低。同时，由于所采用的磨料和钕化物硬度远低于蓝宝石晶片的硬度，因此这种加工方法不会对蓝宝石晶片造成金刚石、碳化硼、碳化硅等硬质磨料加工蓝宝石晶片时造成的诸如凹坑、划痕和微裂纹等表面损伤，因此提高了蓝宝石晶片的加工质量。同时，钕化物、二氧化硅和蓝宝石通过固化反应生成硬度较低，极易去除的Nd2Al2Si3O12，从而提高蓝宝石晶片的抛光效率，使该抛光方法具有抛光效果佳、去除率高的优点，能满足蓝宝石抛光的要求。
利用磨料、钕化物与蓝宝石晶片之间的固相反应，同时钕离子对蓝宝石和二氧化硅的固相反应能起催化作用，提高其反应速度，在蓝宝石晶片表面形成一层软质的、易去除的反应生成物层，并利用后续磨料与生成物层之间的摩擦作用将生成物层去除，从而实现蓝宝石晶片的高效抛光。以下给出了①二氧化硅(SiO2)、②硝酸钕、③去离子水与蓝宝石材料在碱性环境下发生的固相反应方程：
Nd3++3OH-＝Nd(OH)3 (1)
Al2O3+2Nd(OH)3＝2NdAlO3+3H2O (3)
SiO2+2NdAlO3+Al2Si2O7.H2O＝Nd2Al2Si3O12+2AlOOH (4)
本发明的有益效果：本发明通过加入钕化物，使其与二氧化硅和蓝宝石通过固化反应生成更多硬度较低、极易去除的Nd2Al2Si3O12。同时，钕离子能起催化作用，加快蓝宝石和二氧化硅的反应，从而提高蓝宝石晶片的抛光效率。抛光过程中采用碱性水基冷却液进行冷却和润滑，具有良好的环保特性，使该磨具具有抛光去除率高、加工表面粗糙度低、环保的优点，能满足蓝宝石抛光的要求。
附图说明
图1是磨具示意图。
图2是加工原理示意图。
图3是加工装置示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明。
参照图1～图3，一种抛光蓝宝石晶片的内含钕化物软质磨料固着磨具，所述内含钕化物软质磨料固着磨具原料的配制：按照质量百分比，纳米二氧化硅40％～60％、粘结剂20％～40％、固化剂10％～15％、钕化物5％～10％、其余为去离子水。
优选的，所述粘接剂为氧化镁。
优选的，所述固化剂为氯化镁、酚醛-缩醛树脂或酚醛-环氧树脂。
优选的，所述纳米二氧化硅的粒度为80～100nm.
优选的，所述钕化物为硝酸钕、氯化钕、氧化钕或氟化钕，均为纳米级粉末状颗粒。
一种抛光蓝宝石晶片的内含钕化物软质磨料固着磨具的制作方法，在去离子水中加入固化剂，并搅拌使其溶解，随后加入结合剂、纳米二氧化硅、钕化物等，将其搅拌均匀；将配置好的配料在模具中热压成形，脱模后完成热固化，并对其上下端面进行修整，保证磨具上下端面的平整度和平行度，得到内含钕化物的软质磨料固着磨具。
参照图1，其中1.二氧化硅2.钕化物3.结合剂和固化剂的混合物 4.空隙。参照图2，其中5.钕化物6.二氧化硅7.新生成得到 Nd2Al2Si3O12 8蓝宝石晶片。参照图3，9.上抛光盘10.磨具11.蓝宝石晶片12.下抛光盘。
本实施例的内含钕化物软质磨料固着磨具对蓝宝石晶片的抛光：将内含钕化物软质磨料固着磨具安装于抛光机的上盘，待加工的蓝宝石晶片放置在会旋转的抛光机下盘，用夹具固定住，启动抛光机，并在上下盘之间注入碱性水基冷却液；内含钕化物软质磨料固着磨具上的钕化物和磨粒对蓝宝石面进行划擦并发生固相反应，实现对蓝宝石晶片的抛光。
进一步，在压力和相对速度的作用下，钕化物既是一种催化剂，降低了蓝宝石晶片与二氧化硅反应所需的能量，同时作为反应物又可与磨料和蓝宝石材料发生固相反应，生成一层软质的、易去除的反应生成物层，并利用后续磨料与生成物层之间的摩擦作用将生成物层去除，从而实现蓝宝石晶片的抛光。
本实施例选取在抛光机上进行蓝宝石晶片的抛光加工。实施例条件如表1所示。内含钕化物软质磨料固着磨具采用了纳米二氧化硅含量50％、硝酸钕含量5％和纳米二氧化硅含量60％、硝酸钕含量5％，其它制作和加工参数均相同。分别用这两种内含钕化物的软质磨料固着磨具对的蓝宝石晶片进行抛光。抛光过程中采用碱性水基冷却液进行冷却和润滑。
表1
表2显示了实施例中蓝宝石晶片的加工结果。结果显示，本实施例中的蓝宝石晶片去除率稳定，与传统抛光过程相比，材料去除率几乎是在相同条件下的4-5倍。在本实施例中，采用纳米二氧化硅含量 50％、硝酸钕含量5％的固着磨具对蓝宝石晶片进行抛光，表面粗糙度为4-8nm，采用纳米二氧化硅含量60％、硝酸钕含量5％的固着磨具对蓝宝石晶片进行抛光，表面粗糙度为4-7nm，都要明显优于传统抛光方法获得的表面粗糙度。这表明内含钕化物的软质磨料固着磨具抛光方法在取代传的蓝宝石抛光技术方面，具有良好的应用前景。
表2
上例仅是本发明的较佳实施例，凡是依据本专利所作的任何修改和变更，均应包含在本发明的保护范围。