论文标题：Enhanced Electrorheological Polishing Efficiency of Alumina-Doped Titanium Dioxide Particles

论文链接：https://www.mdpi.com/1996-1944/16/6/2347

期刊名：Materials

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/materials

通讯作者

尹剑波，西北工业大学物理科学与技术学院教授，Materials、Scientific Reports编委，Frontiers in Materials 杂志Smart Materials专栏副编辑。发表论文130余篇，出版学术专著1部，外文专著章节3章，获授权中国发明专利15项。研究方向为电流变液、聚离子液、超材料。

第一作者

第一作者简介：胡旭峰，博士生，就读于西北工业大学物理科学与技术学院。发表SCI收录论文7篇，获授权中国发明专利1项。研究方向为电流变抛光液。

文章导读

随着信息技术的发展，对各类光电元器件的精密制造工艺要求越来越高，而超精密抛光在精密制造中非常关键，甚至会影响工件和产品的最终质量。外场辅助抛光可解决传统给抛光磨料分布不均匀问题，还可通过控制外场场强大小改变加载在抛光液上的压力，从而实现“磨具”软硬度调控。电磁场辅助抛光因为对抛光特性可实现在线智能精密控制，所以在各种场效应辅助抛光技术中最受关注。不同于磁场辅助抛光需要加载复杂庞大的磁场发生设施，电流变抛光 (Electrorheological Polishing, ERP) 设备简单、方便电控、对抛光工件的面型尺寸没有限制，在抛光复杂曲面、精密微电子机械工件、超精密光电元件的制造模具等方面具有独特优势。

ERP的原理是将磨料颗粒加入到电流变液中作为抛光媒介，在工具和工件间施加外电场后，电流变颗粒发生电极化后在工具和工件间形成颗粒链，磨料颗粒夹杂或吸附颗粒链上，在工具电极带动下，磨料颗粒随链与工件表面发生碰撞实现抛光。当工件为非导体时，可以设计能将正负电极耦合在抛光头上的专门工具电极，施加电场，电流变抛光液形成的颗粒链聚集在工具电极前端，形成“柔性抛光头”进行抛光。这种“软接触”抛光模式兼具高精度与低损伤优势，尤其适用于复杂曲面、脆性材料（如光学玻璃、碳化硅）及超精密元件的纳米级表面加工。目前，ERP材料主要是通过将磨料颗粒与电流变液简单混合制备，但由于磨料颗粒与电流变颗粒在极化速率和电流变效应上存在巨大差异，当受到电场和抛光诱导的剪切场同时作用时，磨料颗粒与电流变颗粒极易发生相分离，导致磨料在抛光微区分布不均，极大影响抛光效率和效果。

西北工业大学尹剑波教授及其团队在 Materials 期刊发表的文章 (Enhanced Electrorheological Polishing Efficiency of Alumina-Doped Titanium Dioxide Particles) 发展了一种氧化铝掺杂二氧化钛颗粒电流变抛光材料，该颗粒同时结合了掺杂二氧化钛的高电流变效应和氧化铝的高硬度，表现出高电场辅助抛光效率，解决了简单混合法制备的电流变抛光液容易发生相分离而导致抛光稳定性和效率低下等问题。

研究过程与结果

氧化铝掺杂二氧化钛颗粒电流变抛光材料首先采用溶胶凝胶法制备凝胶前驱体，后经研磨、筛分、高温煅烧 (200 ℃、400 ℃和500 ℃) 得到氧化铝掺杂二氧化钛颗粒。XRD分析表明500 ℃煅烧得到颗粒晶体结构为锐钛矿，图1a是颗粒的SEM图，可见颗粒为球形，粒径不均匀，EDS分析可知铝均匀地掺杂在二氧化钛颗粒中。图1b是氧化铝掺杂二氧化钛颗粒电流变抛光液在不同电场强度下的流变曲线，可见受到电场作用，氧化铝掺杂二氧化钛电流变抛光液的剪切应力快速上升，表现出明显屈服应力。当电场强度达到3 kV/mm时，该抛光液的屈服应力为1.8 kPa，明显高于纯二氧化钛电流变抛光液的0.4 kPa和简单混合二氧化钛与氧化铝制备的抛光液的0. 38 kPa。这是因为铝离子对二氧化钛的异价掺杂效应增加晶体中的缺陷浓度，提高了颗粒在悬浮液中的界面极化强度所致。更高的剪切屈服应力有利于提升电流变抛光性能。

图1 氧化铝掺杂二氧化钛电流变抛光颗粒的SEM图 (a) 和不同电场强度下氧化铝掺杂二氧化钛电流变抛光液的流变曲线 (b)

图2显示了用铝掺杂二氧化钛电流变抛光液对不同硬度的铜工件的表面抛光前后的AFM图。在转速为200 r/min、加工间隙0.2 mm、电场3 kV/mm下，对莫氏硬度为1的铜工件表面抛光0.5 h后粗糙度Ra从120 nm降至38 nm，莫氏硬度为3的铜工件表面抛光2 h后粗糙度Ra从126 nm降至31 nm，抛光效率远高于简单混合的电流变抛光液。测量抛光前后平行和垂直方向的表面粗糙度，平行于原始迹线的黄铜工件表面的Ra从61 nm减小到22 nm，垂直于原始迹线的粗糙度从121 nm减小到37 nm。

图2 未抛光黄铜表面 (a) 和用铝掺杂二氧化钛电流变抛光液抛光2 h后的黄铜表面三个不同位置 (b-d) 的AFM图

研究总结

本文开发了一种氧化铝掺杂二氧化钛电流变抛光材料，氧化铝掺杂不仅提高了二氧化钛的电流变性能同时赋予颗粒高硬度。电场作用下，该抛光液的屈服应力明显高于纯二氧化钛电流变抛光液和简单混合二氧化钛与氧化铝制备的抛光液，表现出高电场辅助抛光效率，解决了简单混合法制备的电流变抛光液容易发生相分离而导致抛光稳定性和效率低下等问题。