二氧化铈作为玻璃材料常用的抛光粉，不仅硬度适中（莫氏硬度为7），而且具有较强的化学活性，容易发生铈的价态变化，因此以其为主要成分的稀土抛光液具有抛光耗时短、抛光精度高、使用寿命长、工作环境清洁等优点，已经完全取代了过去使用的氧化铁，成为目前玻璃加工中应用最广泛、效率最佳的抛光材料，被广泛应用于手机屏幕、光学玻璃、液晶显示器和硬盘等产品的精密抛光中。不过，近年来随着我国稀土抛光粉应用从普通玻璃制造行业向光电子显示行业转换和推进，高品质氧化铈稀土抛光材料的研究与开发成为了行业的迫切需求。

氧化铈抛光液应用——LED光电玻璃透明显示屏（来源：上海邦利维光电科技有限公司）

氧化铈抛光液的抛光机理

目前，最受认可的氧化铈抛光液抛光玻璃的机制是由Cook提出的化学成键抛光机理，可看作是物理抛光与化学抛光的共同作用：压力作用下，水分子使SiO₂晶片表面羟基化，CeO₂首先与SiO₂生成Ce-O-Si键，由于玻璃表面易水解，继而形成Ce-O-Si(OH)键，随后，CeO₂与抛光平台之间产生的机械力促使Si-O-Si键断裂，SiO₂以Si(OH)的形式随CeO₂抛去，并暴露出新的被抛光面。如此反复，最终获得高平整度的表面。

氧化铈化学机械抛光机理

另外，CeO₂的氧化还原反应也会使硅酸盐晶格破坏，通过化学吸附作用，使玻璃表面与抛光剂接触的物质包括玻璃及水解化合物被氧化或者形成Si－O－Ce键，并在此基础上通过抛光粉的机械磨削作用而被去除，从而露出新的玻璃表面，为进一步抛光创造条件。

高品质氧化铈抛光液生产要点

根据氧化铈抛光液抛光机理，如果抛光过程中，抛光液的化学作用大于物理作用，就会出现腐蚀坑点；物理作用大于化学作用会产生划伤，只有当二者接近平衡的时候才能获得较好的表面质量。因此抛光液中成分、二氧化铈粒度分布、物相结构及微观形貌等对于抛光效果有重要影响。

1.抛光粉的制备

氧化铈是氧化铈抛光液中起抛光作用的主要成分，其本身的粒度、结晶形状与形貌等理化性能直接决定了抛光后的表面质量。

来源：玖研科技(上海)有限公司

（1）粒度：

随着玻璃制备工艺以及CNC加工设备的发展，玻璃加工对减薄的需求越来越低，对表面质量的要求越来越高，而用于精密抛光的高端稀土抛光粉的粒度控制要从最大粒度、中间粒度D50和粒度分布来综合考虑。

在平均粒径上，通常抛光粉的平均粒径越大，研磨速度也就越高，但也更容易发生划伤。相反，抛光粉的平均粒径较小，从而减少了磨量，降低研磨速度，但也提高了抛光对象的表面光滑度，粒径在纳米尺度。而在粒径分布的控制上，对于粒径分布范围较窄、D50较小的氧化铈抛光粉，由于过粗或过细的颗粒比较少，每个颗粒在抛光过程中对工件表面的作用力更加一致，可以实现更均匀的磨损。目前应用于抛光利于的氧化铈粒径证逐渐由微米级向亚微米级、纳米级过渡。

（2）形貌、晶型

适用于高精密抛光的氧化铈粉一般为具有特殊4f电子层结构且形貌为球形的面心立方萤石结构氧化铈，这种结构的氧化铈由于外层电子非常不稳定，铈离子容易在Ce⁴⁺和Ce³⁺两个离子态之间转换，表现出非常好的还原/氧化性，因此材料去除速率较高，化学活性较高，材料选择性高，且工件表面划痕很少，很适合高质量表面的精细抛光。除此之外，由于接触形式的不同，形貌为球形的CeO₂粒子具有光滑的表面，其抛光的磨损机理为微磨粒磨损，能够产生更好的抛光效果，而棱角锋利、边缘清晰的不规则CeO₂粒子则容易对表面造成损伤。

（a）CeO₂的理想晶体结构，（b）一个氧空位伴随两个Ce³⁺生成物存在时CeO₂的晶体结构

（3）纯度

氧化铈抛光粉中除了包含主要成分CeO₂，另外含有少量其他稀土氧化物(如La₂O₃、Pr₆O₁₁、Nd₂O₃等)及添加元素F、S等。通常认为抛光材料中CeO₂的含量越高，抛光效率也就越高，使用寿命也会越长，目前一般把氧化铈含量大于80%、稀土氧化物含量超过99%的抛光粉称为高铈抛光粉，由于抛光精度高、颗粒大小均匀、抛光时间长，常用于精密仪器、半导体元件等高要求产品的抛光。

不过在实际应用中，少量的其他元素掺杂也能促进抛光效果提升，比如，掺杂含量不超过6%的F元素就能够促进抛光粉晶体的晶化，稳定晶体颗粒尺寸，同时提高化学腐蚀作用，提升抛光速度。而镧元素则能够与氟元素相结合生成氟氧化镧铈相，使氟稳定的存在粉体中。

目前用于抛光用的氧化饰粉体材料一般都是采用普通的液相沉淀工艺制成前驱体，再通过高温煅烧分解、机械研磨制得，这种颗粒的缺陷是粒度分布宽，形貌不规则，这些都对抛光质量造成不良的影响，使表面划伤严重，难以满足高端抛光的要求。 而利用水热法在高温高压下在额能够合成的纯度高杂质少、晶型及形貌可控，同时粒度小、粒径分布均匀的CeO2抛光粉，具有广阔的应用前景。

2.高稳定性抛光液的配置

目前用于高精密抛光的氧化铈粒度逐渐向亚微米级、纳米级发展，加上粉体有一定的化学活性，使得抛光粉在使用过程中发生团聚现象，容易导致工件划伤，因此提升其悬浮性能，降低沉降速度也是配置高性能氧化铈抛光液的关键。

（1）PH值

浆料的pH不仅影响着抛光粒子表面的物化性质，也影响着工件表面的腐蚀情况以及工件表面的带电状况。稀土抛光粉粉体中含有小于0.1μm的颗粒，为胶体粒子，该种粒子带负电，根据双电层理论，带电粒子在溶液中吸附电性相反粒子形成双电层。

双电层理论（来源：珠海欧美克仪器）

由于氧化铈胶体粒子的等电位点的pH6.5～7.5之间，当体系的pH大于7.5或小于6.5时，随着碱性或酸性的增加，其双电层滑动面的电位即ZETA电位绝对值都会逐渐增大，此时悬浮物粒子异种电荷主要集中在扩散层中导致粒子间的排斥力越强，越不易沉降，不过由于在强碱性或者强酸条件下，抛光液会对抛光机器产生一定的腐蚀，并且也会使玻璃表面产生桔皮现象，因此，在光学玻璃的抛光中，一般是选择pH=7-9的弱碱条件下进行抛光。

（2）表面活性剂

根据溶胶稳定性理论（DLVO）学说，体系内的胶团之间有斥力势能与引力势能，添加表面活性剂会改变体系里的斥力势能，因此选取合适的活性剂可以获得分散相对稳定的体系。比如有些活性剂具有高分子链，可以在溶液中就会将颗粒包裹起来，产生空间位阻来阻碍颗粒间的靠近。而有些表面活性剂还可以让颗粒吸附高分子电解质，改变颗粒表面双电层的斥力同时产生空间位阻。

空间位阻理论

表面活性剂的选择在很大程度上取决于固有的溶液性质，目前常用的分散剂包括阴离子型（六偏磷酸钠、聚丙烯酸、十二烷基硫酸钠、聚丙烯酰胺、羧甲基纤维素）、阳离子型（三乙醇胺、氮氯十二烷基吡啶）和非离子型（聚乙二醇）。

（3）电解质

在抛光材料的实际应用过程中，由于成本原因，很少有使用纯水配置抛光浆料的，但自来水中的钙、镁粒子极易对表面活性剂造成干扰，比如离子型表面活性剂形成的双电层厚度就会随溶液离子强度增加而下降，使得静电斥力下降，加快沉降速度，因此要配置高悬浮性的氧化铈抛光液，有必要添加EDTA四钠等络合剂络合水中的钙、镁离子等杂质。

（4）粘度

根据stockes沉速公式，颗粒的沉降速度与体系的黏度成反比，降低沉降速度可用增加体系黏度的方法，引入增稠剂。增稠剂一般分为有机和无机两种，无机增稠剂如无机凝胶，改性膨润土等；有机增稠剂如纤维素醚、聚乙烯醇等。不过在抛光过程中引入过多的有机物会降低抛光速度，所以一般选择黏度为1000～1200cps即可达到降低沉淀速度的目的。

其实，为了保证氧化铈抛光液的实际应用效果，不仅需要保持优异的稳定性能外，还需要合理配置氧化铈粉的含量以及添加适量的氧化剂等，以提升抛光效果和抛光速率。

小结

近年来我国稀土抛光粉应用从普通玻璃制造行业向光电子显示行业转换和推进，而要想在高速发展的光电显示行业中谋求发展，我国在纳米CeO_２粉体材料批量化合成工艺方面的研究急需提升，后续髙性能CMP抛光液的研制（如稳定性能提升等）也需要加强，更重要的是CeO_２抛光液生产公司不能盲目追求的性能指标，而应与应用的公司形成产业链，避免上下游脱节，满足下游应用产业实际需要。

参考文献：

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