剪切增稠辅助碳化硅陶瓷基片研磨抛光的工艺优化与表面质量研究

本研究通过流变学分析揭示了剪切增稠抛光液（STP）的组成-性能关系，确定40 wt%分散相为最优配比。采用定制金相研磨机系统优化了集成研磨抛光工艺参数：3 μm金刚石磨料、150 kPa压力、200 rpm研磨30 min后100 rpm抛光45 min，最终使SiC陶瓷表面粗糙度从451 nm降至9.7 nm。创新性地通过转速调控实现粘度动态切换，解决了传统剪切增稠抛光（STP）需固定间隙的局限，为硬脆材料精密加工提供了新方案。

　　

剪切增增稠辅助研磨抛光技术的突破性进展

引言

随着航空航天、半导体等领域对碳化硅（SiC）陶瓷需求激增，其高硬脆特性导致的加工难题日益凸显。传统研磨抛光存在效率低、表面损伤大等问题，而新兴的剪切增稠抛光（Shear-Thickening Polishing, STP）技术通过流体粘度动态调控展现出独特优势。不同于需要固定间隙的传统STP方法，本研究创新性地利用标准金相机床通过转速切换实现粘度自主调控——高速研磨时触发准固态行为，低速抛光时呈现液态流变特性。

实验设计与方法

剪切增稠抛光液的制备以14 μm玉米淀粉为基体，6 μm金刚石为磨料，通过安东帕MCR302流变仪测定40 wt%淀粉浓度具有最佳粘度突变特性。实验采用川禾Smoothneer-6金相研磨机，聚氨酯抛光垫因其100 μm微孔结构展现优异流体保持能力。SiC基片（10×10×2 mm）经400#金刚石膜预处理后，初始粗糙度为401-452 nm。

关键参数优化研究

研磨/抛光时间的影响

200 rpm高速研磨阶段，30分钟时表面粗糙度降至32 nm，但继续延长会导致犁削现象（最高点升至7.542 μm）。100 rpm抛光45分钟可获得9.7 nm的超光滑表面，过度抛光则引发表面过蚀。

压力的调控机制

150 kPa压力下材料去除率与表面粗糙度达到最佳平衡。压力超过300 kPa时，流体流动性下降导致磨料划痕加深，表面最高点从3.725 μm增至6.138 μm。

磨料尺寸的优选

3 μm金刚石磨料在兼顾效率与质量方面表现最优：较1 μm磨料提升去除率，较6-9 μm磨料减少表面凹坑（抛光后最高点仅299.6 nm）。

创新性工艺集成

最终优化的集成工艺参数为：3 μm磨料、150 kPa压力、200 rpm研磨30分钟接续100 rpm抛光45分钟。该方案通过动态粘度调节实现了"粗磨-精抛"的无缝衔接，表面形貌分析显示处理后基片表面均匀无缺陷，较传统方法效率提升50%以上。

技术突破与行业价值

此项研究首次实现了不依赖硬件改造的STP工艺，通过玉米淀粉基流体的智能流变特性，解决了硬脆材料加工中效率与精度的矛盾。获得的9.7 nm表面粗糙度达到光学元件级标准，为SiC陶瓷在半导体封装、航天镜片等领域的应用扫清了技术障碍。未来可通过引入磁性纳米颗粒进一步开发磁场响应型智能抛光流体体系。