固结磨料是用高强度粘结剂把细颗粒磨料粘接起来，使其形成一个独立的堆积组合体。相较于游离磨料抛光技术，固结磨料抛光的磨粒利用率及CMP加工效率显著提高，不仅耗材成本有所减少，而且工件的亚表面损伤程度也有了明显的降低，不过，在传统的硬质基体固结磨料中，工具与工件的刚性接触极易造成工件表面及亚表面微破碎、微裂纹以及损伤层等显著缺陷，难以满足以光学应用为代表的超精密加工工艺需求。为此，科学家们针对上述局限，对固结磨料进行优化与创新，研发了多种具有自退让性的软固结磨料磨具。

来源：苏州迪特亚五金机械有限公司

软固结磨料抛光机理

软固结磨料通常是将磨粒与具有塑性、弹性变形性能较好的基体材料混合制成。抛光时，由于磨料与介质（结合剂或研磨液）的相互作用强度介于一定范围之内，磨料具有一定范围内移动能力，其表面不同出露高度的磨粒在抛光压力的作用下会退让至同一高度，确保在加工时磨料承担均匀的压力，以此来实现工件的微去除。

相比传统固结磨料与游离磨料，软固结磨料拥有以下特点：

1、自退让性：基体具有弹性，使抛光垫表面的磨粒露出高度获得一定的调整空间，不仅避免了大粒径的磨粒与加工材料的刚性冲击，降低材料表面粗糙度值，减小亚表面损伤；而且磨粒利用率也高，在压力作用下，工件表面能够接触到更多的磨粒，从而提高抛光效率。

2、自修整性：弹性基体材料力学性能较弱，更容易损耗，因此更容易使钝化的磨粒在进一步的摩擦作用下脱落，并露出新的磨粒；

3、环境友好性突出：无需使用成分复杂的抛光液。

软固结磨料的研发进展

1、弹性基体软固结磨具

常规固结磨料磨具主要以金属、陶瓷、酚醛树脂等作为结合剂材料粘合磨料颗粒以实现特定形状磨具的制备，而弹性磨具则将磨料颗粒与具有弹性的聚合物基体材料结合，最终得到的磨具拥有一定的柔性。不仅改善了传统刚性磨具以刚克刚、以硬碰硬的加工模式带来的诸多弊端，兼顾了磨削加工效率和表面损伤控制，而且具有特定模量的弹性基体磨具能够通过力位控制与复杂曲面随形贴合，以实现复杂面型结构工件的超精密加工。

弹性基体软固结磨具及其与硬质固结磨料的对比

目前，用于制备弹性磨具的常见弹性基体材料包括聚氨酯、橡胶和硅橡胶等。其中，聚氨酯材料 的合成原料较多，成型工艺也较为复杂；橡胶的硬度相对较高，不利于弹性体的变形。而硅橡胶的工艺比较成熟，硬度适中，在弹性基体软固结磨具的制备中有着广泛应用。

2、亲水性固结磨料抛光垫

亲水性固结磨料抛光垫所采用的基体是含有羟基(-OH)、羧基(-COOH)、羰基(-CO)等多种多个亲水性自由基的聚合物，如PEG、 PEGMA、TMPTA等。这些聚合物基体具有水溶性和溶胀特性，当水性抛光液中的水分子被这些亲水性自由基吸引，并逐渐渗入基体中时，会使原本的聚合物中的高分子长链网状结构变得膨胀和疏松，从而缓解研磨过程中材料表面凹凸不平、机械振动引起的磨粒与加工材料之间的刚性冲击，改善磨粒切削条件。同时，这一过程也让基体表面的结合强度降低，对磨粒的把持能力下降，在抛光的过程中基体表面结合力较弱的地方在摩擦力的作用下遭到破坏，棱角钝化的磨粒在摩擦力的作用下逐渐脱落，次表层的基体材料和新的磨粒露出使抛光继续进行。

亲水性固结磨料抛光垫抛光原理

3、溶胶-凝胶(SG，Sol-gel)抛光工具

溶胶凝胶抛光工具是将磨粒与海藻酸钠等生物高分子凝胶材料混合，之后利用溶胶凝胶法将其固化制备而成的。目前，日本科研人员Ikeno、Nakamura 等分别利用溶胶凝胶技术制备了新型的 EPD 磨抛丸片和颗粒磨抛盘（GPD），而国内的华侨大学刘娟等则利用该技术制备了用于大面积抛光的凝胶抛光膜，将硅片的表面粗糙度降低到了10nm。

SG抛光工具制备流程图

由于生物高分子凝胶材料的资源丰富、来源广泛，不仅可从陆地 植物、海藻中的骨架纤维素、黏液、树胶、果胶等提取，而且可来自于动物体的糖原、昆虫与节肢动物的甲壳质，以及微生物发酵进行生物合成，因此利用其作为溶胶凝胶抛光工具的基体具有环保、无污染的制造优势，不过在机械加工过程中会出现加工破损、存放过 程中出现脱水干裂失效等问题，需要进一步探究凝胶性能的增强方法。

小结

软固结磨料具有独特的自退让性、自修整性以及环保性能，相比传统固结磨料，磨粒利用率更高，获得的表面质量更高，在精密抛光领域有着广泛的应用前景。不过作为一种新型抛光工具，其基体性能强度的提升还需进行进一步研究，以提升其使用寿命。

参考文献：

1、王家庆.弹性基体软固结磨料磨具磨抛加工方法研究[D].长安大学.

2、童睿龙.溶胶凝胶抛光膜加工单晶金刚石的实验研究[D].华侨大学.

3、林莹超.海藻酸钠体系凝胶抛光垫的制备及性能研究[D].华侨大学.

4、祁志超.自退让固结磨料抛光垫的成分优化及性能研究[D].河南科技学院.

5、张天翼.自退让性固结磨粒抛光垫在化学机械抛光中的接触机理[D].河南科技学院.

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