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       摘要：金刚石砂带是一种具有出色磨削效果和高度耐磨性的材料，广泛应用于难加工材料的加工领域。近年来，基于微图案的超精密金刚石砂带逐渐引起了研究人员的兴趣。这种砂带采用微小尺度的图案结构，可以进一步提高金刚石砂带的磨削性能和加工精度。本文将介绍基于微图案的超精密金刚石砂带的研究现状及制备影响因素进行讨论，并对其发展趋势进行展望。
       关键词：微图案 金刚石 砂带 加工
       1. 微图案柔性抛光材料应用背景

       随着微制造技术的不断发展，微图案的金刚石研磨产品在航空航天、汽车制造、电子芯片加工等领域具有广阔的应用前景。金刚石研磨带作为一种高效的、超精密的磨削工具广泛应用于难加工(DTM)材料的加工，随着工业机器人系统的出现和发展，以及对精密、自动化工作的需求不断增加，对传统磨抛工具的效率和耐用性提出了巨大挑战[1,2]。具有耐用性的弹性工具，在加工过程中可以避免由局部硬接触引起工件的表面/亚表面损坏。因此，基于微图案的超精密金刚石砂带将会在现代工业加工领域中发挥越来越重要的作用。然而，传统的平整砂带存在着磨削效果不稳定和加工精度不高等问题。基于微图案的超精密金刚石砂带通过在砂带表面引入微观图案结构，可以显著改善其磨削性能和加工精度。

       2. 微图案柔性抛光制品用树脂结合剂的性能特点

        树脂结合剂具有较高的抗拉强度、低磨削力、低磨削温度和一定的弹性，相对于陶瓷基与金属基的磨具，树脂基磨具更适合于对工件进行精细的加工和研磨，常用的树脂结合剂及其特点如图2所示。其中酚醛树脂(Phenol-formaldehyde，PF)是由酚类与醛类反应合成的一类树脂，特别是苯酚与甲醛，因其高阻燃性、耐化学性、耐热性、机械强度、粘接强度和尺寸稳定性而被广泛应用于磨具粘结剂，提高酚醛树脂的耐热性和降低酚醛树脂的脆性仍是增强树脂性能的主要方向。
       环氧树脂(Epoxy，EP)是指含有一个以上环氧基团的低分子量预聚物，以其优异的机械性能、高粘接强度被广泛应用于增强复合材料等领域，是一类作为通用粘合剂和增强聚合物基复合材料的热固性树脂。在磨抛应用方面，环氧树脂由于耐热性较低，在干式加工中环氧树脂砂轮会产生黏附磨损，环氧树脂的耐热性和机械性能介于酚醛树脂与聚氨酯树脂之间，通常用于对聚氨酯的增强改性和酚醛树脂的增韧改性。
       聚氨酯(Polyurethane，PU)是以氨基甲酸酯基团为主要重复结构单元的聚合物，其中氨基甲酸酯是由醇(-OH)与异氰酸酯(-NCO)反应产生的，聚氨酯中也可含有其他如醚、酯、脲和一些芳香族基团。由于合成聚氨酯原料的来源多种多样，加上其广泛的应用范围，聚氨酯可分为水性聚氨酯、热塑性聚氨酯、热固性聚氨酯以及聚氨酯泡沫等。热固性聚氨(Thermoset polyurethane)的微观结构通常比热塑性聚合物更坚固。热固性聚合物的优点使其成为形状记忆聚合物的极佳原料，具有较高的形状固定率和形状恢复率，也同时可以被设计成精加工用的柔性磨削工具。

       3. 制备微图案结构的影响因素分析

       3.1 微图案结构的特点
       砂带表面的结构设计是多元的，合理的结构单元和单元间隙使得砂带表面具有特定的纹理，如图3所示，可以提高砂带和磨削时的综合性能。砂带表面结构的实现需依靠砂带的成型技术，而砂带结构的成型方式取决于树脂结合剂的固化特性。对于树脂结合剂而言，可以通过复制主体几何结构来转移到基板材料上，这种转移可以通过热、光、力、化学活化或其他能量输入等方式来实现。微图案设计是基于微图案的超精密金刚石砂带研究的关键环节。通过优化图案的形状、尺寸和分布等参数来实现砂带的优化磨削性能。常见的微图案制备方法包括传统热压花成型、气体/超声波辅助压/紫外、红外激光辅助压花、化学蚀刻、电火花放电加工、激光加工、紫外/X射线/电子束光刻、3D打印和微纳米制造技术等。超精密金刚石砂带的微图案结构设计涉及到以下五个方面：微图案尺寸的设计；树脂结合剂种类；成型工艺；金刚石表面处理；金刚石粒度。

       3.2 微图案结构的制备方法
       对于热固化树脂体系而言，微热压花是一种高效益的结构复制技术，可通过在适当的压力和温度下将微结构图案从母模上转移到聚合物基材上，分为四个阶段：(1)将基材与模具加热至成型温度；(2)在成型温度下加压使基材表面得到微图案结构；(3)基材与模具冷却至可脱模温度；(4) 脱模。根据成型工具的不同，微热压印法主要可分为板对板(P2P)、卷对板(R2P)和卷对卷(R2R)三种，压花装置的结构，如图4所示。

       带有磨料的聚合物基复合材料 (PMC)有助于磨削工具在不锈钢、玻璃等难加工材料、硬脆材料的表面上均匀去除工件材料。同时，磨具的结构在磨损性能中起着至关重要的作用，良好的结构可以促进切屑的排出和冷却液的流动，涂附半球形和金字塔形团块组成的结构工具可以保持持久的磨削能力。此外，与传统磨料相比，超硬磨料可以提供更为卓越的耐磨性，尤其适用于结构化和纹理化的金刚石工具。
       3.3 树脂结合剂种类对微图案显微结构的影响
       阵列结构形貌因树脂结合剂种类的不同而产生差异，树脂结合剂的热固化参数、机械性能数值都将影响微图案结构的形貌，以此影响金刚石制品的外观及其在磨抛应用中的效果。

       图5展示了性能的树脂结合剂对微图案结构形貌的影响，其中金刚石颗粒在两种树脂体系下均分散良好并被树脂结合剂充分包裹。高自锐性树脂结合剂制备而成的结构单元表面较为粗糙，复制结构单元表面成鳞片状，适用于大去除量磨削用途。高自韧性树脂结合剂制备而成的结构单元表面较为光滑，复制结构单元表面成峰点状，适用于超精密研磨用途。
       4. 微图案结构的磨抛效果分析

       4.1 金刚石磨料处理
       基于微图案的超精密金刚石砂带在磨削性能方面取得了显著的改善。金刚石作为主要磨削单元被包裹在树脂结合剂中，形成金刚石与树脂相结合的复合磨料群体。对于金刚石磨料复合磨料为树脂结合剂与金刚石及填料组成的复合材料，金刚石与树脂的界面结合状态对磨料的性能有着重大的影响。而金刚石表面惰性较大，导致金刚石与结合剂的结合能力不足，在磨削过程中容易脱落。因此，需要对金刚石的表面进行处理，从而增强金刚石与树脂的结合能力。
       在砂带制备流程中，常用的金刚石处理方法包括偶联剂处理和金属镀覆处理，与未经处理的金刚石磨料相比，金刚石磨料经过KH550和镀Ni处理后，制备成的复合磨料的弯曲强度分别提高了5.2%和3.2%，弯曲强度分别提高了8.6%和6.7%。金刚石磨料在经过外力冲击后的表面仍粘结有大量的树脂，金刚石对树脂有着更好的亲润性。表明KH550处理过后致使金刚石的表面惰性被得到了改善，磨料与树脂的结合能力增强，导致磨料在磨削过程中不易脱落，从而使得机械性能与磨削性能均得到了提升。金刚石经过镀Ni处理后，表面镶嵌有大量的树脂，这是由于镀Ni后的金刚石变得更加粗糙，树脂与磨料的机械啮齿力大幅度增加，提高了结合剂对金刚石的把持力，因而复合磨料的磨削比得到了较大幅度的提高在图6中可以观察到经过处理的、晶型完整的金刚石颗粒被树脂良好的结合在表面，出刃良好的金刚石磨料能极大提升砂带对被加工材料的去除能力。

       4.2 微图案结构的打磨特点
       在金刚石颗粒的排列上，微图案可以使金刚石颗粒更加均匀地分布在砂带表面，从而提高砂带的磨削效果和耐磨性。微图案可以改变砂带与工件之间的接触方式，从而减小砂带对工件的侵入深度，提高加工精度和加工表面质量。图7展示了不用金刚石粒度的砂带制品，在图中可以观察到经过压花处理形成微图案的砂带表面，这些图案由一个个独立的磨削单元组成，每一个磨削单元都有鳞片状的金刚石/树脂复合磨料组群覆盖，形成独特的磨削机制。此外，在磨削单元间隙中，留有充足的通道。在干磨削过程中，这些通道可以提高砂带表面的容屑能力、促进空气的流通，提高磨削工具的散热能力，保证砂带的持久磨削能力，并防止工件过热烧伤、应力集中等问题。在湿磨过程中，这些通道可以促进冷却液的流通与贮存，使砂带与工件的接触过程中始终处在冷却与润滑状态，在超精密研磨中，微图案结构的树脂结合剂金刚石砂带能起到降低磨削温度、提高加工质量和延长砂带使用寿命的作用。

       4.3 工业机器人干抛光手机玻璃背板的磨削结果分析
       通过引入微图案，微图案的超精密金刚石砂带在加工精度方面也取得了重要突破。微图案可以有效控制金刚石颗粒的尺寸和分布，使砂带具备更高的加工精度和稳定性。此外，还可以通过优化图案的形状和密度，实现了对加工特性的进一步调控。图8展示了应用微图案的超精密金刚石砂带对手机玻璃背板干抛结果，其中夹具为工业机器人。对手机玻璃背板进行4次30秒的短加工结果，工件起始粗糙度197nm；粗抛阶段玻璃背板表面粗糙度降低到122nm；半精抛阶段粗糙度降低至39nm；精抛阶段粗糙度降低至24nm；最后经过光抛玻璃背板的表面粗糙度达到了8nm。经过金刚石砂带的打磨，使得玻璃表面质量有了质的飞跃，在降低其表面粗糙度的同时提高其表面光亮度，完成一道完整的打磨抛光工序。由上述结构可以观察出，阵列结构磨具能够在30s的短时间内对工件表面材料进行有效地去除。随着磨损试验进行，工件的碎屑易在金字塔结构的粗糙平台上造成黏附磨损进而影响材料的去除效率，但有利于抛光效果的提升，并促进磨抛一体化。

       5. 结论与展望

       具有微图案结构的树脂金刚石砂带，在磨削测试过程中表现突出，能在短时间内将不锈钢、微晶玻璃等难磨、硬脆材料表面粗糙度降至纳米级别。其中，聚合物与超硬磨料组成的阵列磨削单元在磨削过程中发挥了良好的作用。不仅可以促进切屑的排出和冷却液的流动，还能使金刚石砂带可以保持持久的磨削能力。进而，促使砂带适应进行自动化打磨系统，提高零部件的加工效率与精度。
       基于微图案的超精密金刚石砂带是一项具有巨大潜力的研究领域。通过优化微图案的设计和加工工艺，可以显著提高砂带的磨削性能和加工精度。然而，目前仍存在一些挑战，如图案设计的复杂性、加工工艺的稳定性等。未来的研究应关注这些方面：树脂结合剂性能调控及其工艺特性优化；超硬磨料表面处理及其与树脂结合剂间的界面反应；微图案的结构设计与分布调控；超硬制品的磨抛应用性能检验及数据反馈，并提出解决方案，以推动微图案的超精密金刚石砂带技术的进一步发展。
       作者：河南工业大学材料学院 彭进 宋旭东