为了实现对工件表面的超精密抛光, 建立了紫外光诱导纳米颗粒胶体射流加工系统。对不同型腔结构的两种喷嘴的光耦合纳米颗粒胶体射流抛光的流体动力学特性、抛光工艺、超光滑表面形貌特性进行了研究。首先, 根据光-液耦合要求设计了锥柱和余弦光液耦合喷嘴。接着, 对所设计的两种光液耦合喷嘴进行了非淹没射流三相流仿真, 对比分析了纳米颗粒的流动径迹及流场分布情况。然后, 用TiO2纳米颗粒胶体作为抛光液, 用两种喷嘴对同一单晶硅工件分别进行了光耦合射流抛光试验。最后, 对抛光前后的表面进行了表征及对比分析。结果表明: 相同条件下余弦喷嘴获得的流动速度(20.73 m/s)和动压力(2.5 MPa)均高于锥柱喷嘴的流动速度(7.12 m/s)和动压力(0.2 MPa), 纳米颗粒在余弦喷嘴内的平均停留时间(0.005 s)比锥柱喷嘴的平均停留时间(0.023 s)更短。相同参数下余弦喷嘴射流抛光后的工件表面粗糙度(Rq=0.810 nm, Ra=0.651 nm)更低。光耦合纳米颗粒胶体射流抛光中利用余弦喷嘴可获得比锥柱喷嘴更低的表面粗糙度。

为了实现亚纳米级超光滑表面的加工, 建立了紫外光诱导纳米颗粒胶体射流加工系统, 同时研究了加工过程中纳米颗粒与工件表面间的相互作用机理。首先, 对实验所用锐钛矿TiO2纳米颗粒及单晶硅工件表面进行表征测量。然后, 用第一性原理的平面波赝势计算方法研究了纳米颗粒胶体射流加工中TiO2分子团簇在单晶硅表面化学吸附的表面构型结构及其体系能量。最后, 开展了TiO2纳米颗粒及单晶硅工件表面间的吸附实验。实验结果表明: 胶体中的OH基团在TiO2团簇表面及单晶硅表面分别发生化学吸附, 在TiO2纳米颗粒及单晶硅表面吸附过程中形成了新的Ti-O-Si键及化学吸附的H2O分子。红外光谱实验结果显示:TiO2纳米颗粒与单晶硅界面间存在新生成的Ti-O-Si键。这种界面间的相互作用证实了紫外光诱导纳米颗粒胶体射流抛光过程可实现材料去除的化学作用机理。

采用流体力学模拟方法, 建立了垂直非淹没射流的计算流体动力学模型, 研究了在紫外光诱导纳米颗粒胶体射流中用直径D为500 μm的微孔光-液耦合喷嘴进行抛光加工的冲击动力学, 分析了非淹没射流条件下光-液耦合喷嘴内、外的流场分布情况及其对工件表面的喷射冲击特征, 对紫外光诱导纳米颗粒胶体射流冲击动力学过程进行了理论描述。计算结果表明, 在1 MPa入射压力时, 微孔光-液耦合喷嘴口TiO2胶体的喷射速度约为30 m/s, 其集束匀速喷射距离约为5 mm。在此喷射距离时进行垂直喷射, 在胶束与工件表面的冲击射流作用区域, 其射流静压最大值分布在射流冲击作用中心, 但射流动压及射流合成速度在此区域的截面分布呈“W”形状, 射流动压及速度最大值出现在胶体射流束的外环直径约2 mm处。

紫外光诱导纳米颗粒胶体射流加工技术利用紫外光场对入射纳米颗粒的催化作用实现对工件表面材料的高效去除。为掌握紫外光诱导纳米颗粒胶体射流加工过程中紫外光束在纳米二氧化钛胶体中的传输特性, 基于纳米二氧化钛胶体对紫外-可见光的吸收及散射理论, 通过系列实验得到紫外-可见光束在不同浓度、吸收层厚度的二氧化钛纳米颗粒胶体中的传输特性及衰减关系。结果表明, 为保证足够强度的紫外光能通过纳米二氧化钛胶体照射在工件表面, 胶体浓度宜控制在500 mol/m3以下, 光-液耦合区胶体吸收层的厚度不宜超过20 mm。