隨著光電技術的發展，越來越多形貌復雜的光學元件被應用于醫療、航空、國防等領域。人們對于光學元件加工質量也提出了更高的要求，如較高的表面質量、較好的面型精度和較低的表面粗糙度等。電流變拋光技術是將介電性能良好且硬度較高的磨料顆粒加入到電流變液體中，利用其在外加電場下的電流變效應實現對工件拋光，可獲得較高的表面質量。
近日，北華大學趙云偉博士與美國密歇根州立大學曹長勇教授團隊對針狀工具電極在電流變效應下對導體材料進行拋光的過程進行了詳細研究。該團隊觀測了在施加外電場后，電流變拋光液的微觀結構，并建立了不同粒度固相粒子間結合模型。磨料顆粒以單一粒子方式或粒子微團方式結合在分散相形成的粒子鏈內或分散相顆粒之間，而分散相顆粒作為粘結劑粘附于磨料顆粒表面或吸附磨料顆粒將其粘結成鏈或包裹于粒子鏈內形成BCT (Body-Centered Tetragonal) 結構。在電流變拋光過程中，針狀工具作為正極，導體材料的工件作為負極，電流變拋光液被控制在工具電極和拋光工件之間的狹小縫隙內。當電極兩端施加電壓后，電流變拋光液中的固相顆粒會在外電場的作用下極化，相互吸引，從而在電極間沿著電場的方向形成顆粒鏈，磨料顆粒將被束縛在粒子鏈上。因此，隨著工具電極的旋轉，磨料顆粒相對工件表面剪切運動可以實現工件表面拋光。
該研究中，科研人員根據電流變拋光液中粒子的結合模型和相互作用分析，建立了針對電流變拋光導體材料的模型。通過電流變拋光實驗，揭示和驗證了材料去除模型和拋光區域內材料去除量的變化規律。電流變拋光由于采用微小針狀工具電極，拋光區域小而且靈活，適于拋光微小形貌復雜的導體類工件，未來在微小光學元件模具制造中具有巨大的潛力。
圖1.電流變拋光液微觀結構和粒子結合模型。(a)電流變效應微觀顯示系統，包括高壓電源、電流變效應激發裝置和超景深三維顯微系統。其中電流變效應激發裝置基體由絕緣材料組成，內部包含兩個可相對運動的銅電極;(b)三維顯微系統觀測到的混有粒度W10、濃度10%的SiC顆粒的電流變拋光液的微觀結構。其中白色顆粒為分散相顆粒，黑色顆粒為磨料顆粒;(c)不同粒度磨料顆粒的電流變拋光液的微觀結構;(d)不同粒度的電流變拋光液內粒子的結合模型。
圖2.電流變拋光機理與拋光液內粒子間作用力分析。(a)電流變拋光導體類材料機理，工具電極采用導電性能良好的銅材料，拋光時通常針狀工具作為正極，導體材料的工件作為負極。施加電壓后，拋光液聚集在工具電極周圍形成微小的柱狀凸起；(b-c)為電流變拋光過程中粒子間作用力分析；(d)采用針狀工具電極對導體材料進行拋光時，工具電極和工件之間的狹小間隙內形成梯度電場數值模擬結果；(e)拋光區域內電場強度分布；(f)拋光區域內被測磨料受到的法向壓力的變化。
圖3. 電流變拋光材料去除機理.(a)電流變拋光液中的固相顆粒在外電場的作用下極化后相互吸引，在電極間沿著電場的方向形成鏈狀，磨料顆粒將被束縛在所形成的粒子鏈上形成BCT結構; 隨著工具電極的旋轉，磨料顆粒相對工件表面剪切運動。與工件表面接觸的磨料顆粒在法向壓力的作用下與工件表面接觸產生壓痕，且磨料顆粒在剪切力的作用下沿工件表面移動，當拋光液作用在磨料顆粒的剪切力大于工件表面的抗剪切作用力時，工件表面材料將會被去除;(b)在拋光過程中，磨料顆粒以一定的拋光軌跡相對于工件表面運動，從而形成一定的去除痕跡；(c)拋光區域內分布若干個拋光環。
圖4. 電流變拋光硬質合金.(a)最大拋光深度與工作間隙的關系;(b)拋光中心處的表面形貌，磨料顆粒在工件表面上產生明顯的去除痕跡，而且呈環形分布；(c)最大拋光深度與間隙之間的關系；(d)工具電極轉速對電流變有效拋光面積的影響。
以上相關成果發表在國際知名期刊Advanced Engineering Materials上。論文第一作者為北華大學趙云偉副教授，通訊作者為美國密歇根州立大學曹長勇教授和北華大學劉曉敏副教授。
論文鏈接: Zhao, Y., Liu, X., Fang, Y. and Cao, C. (2020), Ultra‐Precision Processing of Conductive Materials via Electrorheological Fluid‐Assisted Polishing. Adv. Eng. Mater..
https://doi.org/10.1002/adem.202001109
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