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      磨料的與時俱進——河北思瑞恩新材料科技有限公司技術總監 許亞杰

      來源:涂附磨具分會

      時間:2022-05-06

      磨料 新材料

      摘要:磨料的發展經歷了幾千年的歷程,人們認知磨料、制造磨料和使用磨料的歷史,和人類文明史是相輔相成、同步發展的。尤其是近代,磨料磨具被稱為“工業的牙齒”,應用范圍覆蓋了加工制造業的所有領域。隨著加工需求的多樣化,磨料也以前所未有的速度在發展,磨料的存在形式,也遠遠超出傳統磨料的概念,被深深打上了設計和人工干預的烙印。本文摘取近年來工業發展中對磨料的部分需求現狀,簡要呈現磨料的新時代風采。

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      一、引言


      磨料的發展經歷了幾千年的歷程,人們認知磨料、制造磨料和使用磨料的歷史,和人類文明史是相輔相成、同步發展的。尤其是近代,磨料磨具被稱為“工業的牙齒”,應用范圍覆蓋了加工制造業的所有領域。隨著加工需求的多樣化,磨料也以前所未有的速度在發展,磨料的存在形式,也遠遠超出傳統磨料的概念,被深深打上了設計和人工干預的烙印。本文摘取近年來工業發展中對磨料的部分需求現狀,簡要呈現磨料的新時代風采。


      二、納米磨料


      2021 年 5 月,IBM 正式對外發布了全球首個2 納米芯片制造技術,標志著納米加工技術又進入一個新的里程。納米加工技術的發展促進了機械、電子、半導體、光學、傳感器和測量技術以及材料科學的發展 , 已成為國家科學技術發展水平的重要標志。典型的納米級磨料包括納米二氧化硅、納米氧化鈰、納米氧化鋁和納米金剛石,在化學機械拋光(CMP)制程和精密涂附磨具等方面有廣泛的應用。


      納米二氧化硅是 CMP 的主力軍,是芯片制造的重要耗材,從多孔二氧化硅到球形、異形二氧化硅等的研究,取得了顯著的科研成果,但國內產品在高端制造方面還與世界先進水平存在很大的差距,基本被國外產品壟斷。國家在“十四五”規劃科技前沿領域攻關項目中提到集成電路相關的關鍵材料開發,同時要促進碳化硅、氮化鎵等寬禁帶半導體的發展,這些納米級磨料占據著舉足輕重的作用。


      在涂附磨具的制造方面,納米或亞微米磨料也有廣泛應用。例如二氧化硅拋光片粒度只有 40nm左右,是迄今為止最細的涂附磨具,也是光通訊行業不可或缺的拋光耗材。納米氧化鈰、氧化鋁和金剛石在半導體、硬盤、光通訊、光學晶體等應用領域也發揮著重要作用。


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      而上述磨料的制備方法,也不再是傳統細粒度磨料所需的破碎、分級等技術,而是采用溶膠凝膠法、水解法、沉淀法、爆炸法等新型制備工藝。磨料像其他新型材料一樣,其合成方法、表征手段、質量控制和產品應用也細分領域,更有針對性。

      三、各種團聚磨料


      一般來講,磨料的粒徑越大,切削力越強,相應地在加工工件表面產生的劃痕也越重。天然地在材料加工方面存在研磨效率和研磨效果之間的矛盾,大顆粒磨料具備較高的磨削速率但會造成大的劃痕,小顆粒磨料可以得到較好的加工表面,但是需要較長的工作時間,影響效率。傳統的做法是在切削力和表面光潔度之間尋找一種平衡,達到效率和效果的妥協,這也是制約精細化研磨的瓶頸之一。


      如何實現又快又好的加工效果,通??梢酝ㄟ^添加助劑進行改善,例如添加潤滑劑等降低大顆粒對工件表面的劃傷,添加分散劑或其他表面活性劑提高小顆粒的磨削力等,但這些都可歸結于配方改善,對流體類磨料有一定幫助,但對磨料的其他應用有一定的限制。


      采用一定的工藝將較細的磨料通過粘結劑粘合起來,制成流動性好、粒徑更大的磨粒團聚體,也稱為組團磨料、造粒磨料、類多晶磨料或堆積磨料,很好地解決了磨料的加工效率和效果之間的矛盾。對于團聚磨料,在研磨過程中是大面積的多點接觸,既具有大顆粒的高速研磨特性,又具備小顆粒的修復拋光作用,可以得到很好的研磨面,且該團聚磨料在研磨過程可以逐漸釋放磨粒,帶來持久穩定的切削力。團聚磨料在液體、涂附磨具和固結磨具方面都有應用,磨料也包括金剛石、氧化鋁和碳化硅等多種類。涂附磨具中,國內外廠家均有堆積磨料生產的產品,相對單顆粒磨料,團聚磨料產品展現出持久高效的研磨壽命和一致性更好的加工效果。


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      四、新材料新應用


      信息化的社會,沒有一個行業的發展像 3C 行業這樣對材料有著日新月異的需求,每年的產品發布會,既是微電子方面的技術展示,也是材料加工技術的一次革新。其實 3C 行業采用的材料并不陌生,但當玻璃、陶瓷、金屬等應用到 3C 行業后,它們也不再是傳統的模樣,明如鏡顏如玉的陶瓷、薄而輕硬且韌的玻璃、藍寶石的按鍵和攝像頭、從鋁合金到不銹鋼到鈦合金的金屬中框,每一次材質的選擇都伴隨著加工耗材的變革。以鈦合金為例,雖然人們在鈦合金葉片、人工關節和球頭等產品的加工方面已有豐富的經驗,但針對鈦合金中框,因為加工需求和方式不同,配合機械手、砂帶機或五軸機打磨,仍沒有可借鑒的現成工藝,還需要訂制化開發耗材。從海綿砂到氧化鋁 / 碳化硅金字塔產品,再到金剛石金字塔產品,磨料伴隨著圖案化和立體化設計,達到了高度一致性的打磨表面和良率,同時也具有更長的研磨壽命,解決了材料新應用的問題。


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      除了材料的新應用外,也有新型的復合材料被創造出來,例如仿玻璃材質、仿陶瓷材質、超硬合金材質,這種新型的材料在理化性能方面有獨特優勢,其加工方式也和傳統材料有區別,基本的趨勢是采用金剛石或金剛石混合磨料,也符合追求效率和質量雙重功效的現代化加工特點。


      五、智能加工


      隨著人工成本的增加和制造業技術的發展,機器人自動化打磨日漸成熟,越來越多的行業選擇機器人智能加工代替人工打磨,機器人打磨可以提高效率、節約人力成本、提高加工的精度和一致性,還可以避免操作過程中可能發生的環保安全問題,是今后制造業的發展趨勢。


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      機器人打磨要求耗材具有較長的使用壽命、較好的貼服性、加工一致性和高的切削力,陶瓷磨料和微復制技術精密成型顆粒礦砂等新型磨料在涂附磨具的應用很好地滿足了此需求。今年 3M公司推出的明星產品之一 726A 很好地詮釋了這一特點,產品剛柔并濟,適合多種行業多種材質的自動化長效打磨。以精密成型礦砂為原料制作的砂碟,可實現對金屬表面的冷加工,具有高效的切削力和更長的使用壽命。立體結構的系列產品在自動化加工過程能逐層消耗磨料,不斷露出新的研磨層,可以實現均勻一致的打磨表面。


      六 、結語


      隨著現代化加工技術的提高和磨料磨具行業的發展,磨料的范疇將會進一步擴大,以新促新,將會是新材料產業的重要組成部分。但在原材料價格上漲、低端產品產能過剩和同質化殘酷競爭的背景下,必須是差異化、高質量的產品才有出路。加大磨料和制品的研發投入,堅持創新驅動,才能在市場上站穩腳跟,獲得發展機遇。


      本文來源:《中國涂附磨具》2022年第一期


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