用磨料和砂紙對(duì)鈦酸鋇陶瓷兩面分別進(jìn)行研磨拋光

鈦酸鋇陶瓷是以鈦酸鋇或其固溶體為主晶相的陶瓷。具有ABO3鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)，是典型的鐵電材料，分子式為BaTiO3。以BaCO3、TiO2為主要原料預(yù)先合成后經(jīng)1280～1400℃燒結(jié)而成。或以化學(xué)法制備的高純超細(xì)鈦酸鋇粉料成型后直接燒成[1] ，質(zhì)地軟脆，易于研磨拋光。

鈦酸鋇陶瓷特點(diǎn)及應(yīng)用

鈦酸鋇晶體有一般壓電材料的共有特性：當(dāng)它受壓力而改變形狀的時(shí)候，會(huì)產(chǎn)生電流，一通電又會(huì)改變形狀。現(xiàn)在，幾乎所有的超聲波儀器中，都要用到鈦酸鋇。除此之外，鈦酸鋇還有許多用途。例如：鐵路工人把它放在鐵軌下面，來測(cè)量火車通過時(shí)候的壓力；醫(yī)生用它制成脈搏記錄器。用鈦酸鋇做的水底探測(cè)器，是銳利的水下眼睛，它不只能夠看到魚群，而且還可以看到水底下的暗礁、冰山和敵人的潛水艇等。[2]

實(shí)驗(yàn)樣品：直徑為33㎜的橘黃色的圓形鈦酸鋇陶瓷塊

實(shí)驗(yàn)設(shè)備：由沈陽(yáng)科晶自動(dòng)化設(shè)備有限公司制造的UNIPOL-802精密研磨拋光機(jī)、MTI-3040加熱平臺(tái)、SKZD-3滴料器及由沈陽(yáng)科晶自動(dòng)化設(shè)備有限公司銷售的4XC-PC倒置金相顯微鏡

 圖1 實(shí)驗(yàn)用設(shè)備圖

研磨及拋光用品：由沈陽(yáng)科晶自動(dòng)化設(shè)備有限公司銷售的水砂紙、聚氨酯拋光墊、合成革拋光墊、二氧化硅拋光液、鑄鐵研磨盤、剛玉磨料

圖2 研磨拋光用品圖

原始的鈦酸鋇陶瓷樣品如圖3所示，是直徑為33㎜的鈦酸鋇陶瓷快。

圖3 樣品圖

首先，將鈦酸鋇陶瓷塊狀樣品和研磨拋光用載樣塊共同放到MTI-3040加熱平臺(tái)上進(jìn)行加熱，在加熱平臺(tái)上進(jìn)行加熱的樣品和載樣塊如圖4所示；待加熱平臺(tái)將載樣塊的溫度加熱到可以使石蠟融化后，將石蠟涂抹在載樣塊上，將鈦酸鋇陶瓷塊樣品放到融化的石蠟上面，然后關(guān)閉加熱平臺(tái)，移下載樣塊和樣品，待樣品冷卻到室溫后便可對(duì)樣品進(jìn)行研磨，粘貼好的樣品如圖5所示。

方案一：對(duì)鈦酸鋇陶瓷樣品的一面用600#、800#、1200#、1500#、1800#、2000#水砂紙進(jìn)行多道研磨，然后在進(jìn)行拋光。

首先，用600#砂紙對(duì)試樣表面進(jìn)行研磨，將砂紙粘貼在研拋底片之上，然后吸附在貼有磁力橡膠的研磨盤上，將粘有試樣的載樣塊套上修盤環(huán)放在研磨盤上，調(diào)整好控制載樣塊的機(jī)械擺臂的位置（位于修盤環(huán)的中線處），將自來水流速調(diào)整到3-4秒滴一滴的速度。當(dāng)完成這些工作后，將研磨拋光機(jī)上調(diào)整轉(zhuǎn)速的旋鈕歸零，然后打開研磨拋光機(jī)的開關(guān)將轉(zhuǎn)速慢慢調(diào)整到40-50轉(zhuǎn)之間，經(jīng)驗(yàn)表明，自動(dòng)研磨拋光機(jī)在此轉(zhuǎn)速下具有較大的磨削力，然后將自動(dòng)研磨拋光機(jī)定時(shí)30min，開始研磨。當(dāng)研磨30min后將試樣拿起觀察，可見樣品圓周范圍內(nèi)的原始表層已被磨削掉，而中心區(qū)域還未研磨到，因此還需繼續(xù)進(jìn)行研磨。再定時(shí)30min，當(dāng)研磨完后再對(duì)試樣進(jìn)行觀察，看到樣品整個(gè)表面已經(jīng)被磨削*。因此，可以換用下一個(gè)型號(hào)的砂紙對(duì)樣品進(jìn)行研磨。需要注意的是，在試樣研磨過程中當(dāng)砂紙表面出現(xiàn)破損或砂紙表面的砂粒被磨平時(shí)要即使更換砂紙，否則破損的砂紙容易損壞樣品，被磨平砂粒的砂紙磨削力度達(dá)不到要求，會(huì)使實(shí)際磨削試樣的時(shí)間延長(zhǎng)。用砂紙研磨試樣的狀態(tài)如圖6所示。

圖6 用砂紙研磨試樣的圖片

當(dāng)600#砂紙將樣品整個(gè)表面磨平之后便可進(jìn)行下一道砂紙的研磨，接下來分別用800#砂紙對(duì)樣品表面研磨10min；用1200#砂紙對(duì)樣品表面研磨5min；用1500#砂紙對(duì)樣品表面研磨3min；用1800#砂紙對(duì)樣品表面研磨2.5min；用2000#砂紙對(duì)樣品表面研磨2.5min。值得注意的是，在換用下一個(gè)型號(hào)的砂紙進(jìn)行研磨之前一定要對(duì)樣品和設(shè)備進(jìn)行清洗，以免帶進(jìn)來上一道砂紙研磨留下的大顆粒污染物。在進(jìn)行完所有的研磨工序后，便可對(duì)樣品進(jìn)行表面的拋光了。

方案二：對(duì)鈦酸鋇陶瓷樣品的另一面用鑄鐵研磨盤加各型號(hào)剛玉磨料進(jìn)行研磨，再進(jìn)行拋光。

首先用顆粒度為W14的磨料對(duì)樣品表面進(jìn)行研磨，定時(shí)1.5h，當(dāng)磨完1.5h后觀察到樣品表面被磨平，變成一個(gè)平整的磨砂面。再用顆粒度為W7的磨料研磨30min，讓樣品表面更平滑，樣品表面的凹坑更小。拋光過程中用來滴加磨料的滴料器我們選用沈陽(yáng)科晶自動(dòng)化設(shè)備有限公司生產(chǎn)的SKZD-3滴料器。滴加磨料的示意圖如圖所示磨料裝在小盒里面，通過滴加水使磨料滴加到研磨盤上，用磨料研磨的樣品如圖7所示。研磨之后的樣品便可以進(jìn)行拋光了。

圖7 用磨料研磨的過程圖

對(duì)兩種條件下的試樣進(jìn)行拋光時(shí)我們選用合成革拋光墊對(duì)陶瓷樣品表面進(jìn)行拋光，這是因?yàn)殁佀徜^陶瓷性質(zhì)脆，拋光墊太硬會(huì)使其表面產(chǎn)生凹坑，太軟樣品表面又拋不出效果。因此，我們選用表面有一點(diǎn)絨的且有一定硬度的合成革拋光墊對(duì)樣品進(jìn)行拋光，以保證樣品表面拋光后會(huì)達(dá)到要求，由于鈦酸鋇陶瓷是由粉末壓制而成，因此選擇拋光液時(shí)應(yīng)盡量選取顆粒度小的拋光液對(duì)樣品進(jìn)行拋光，因此拋光液我們選用顆粒度為W0.25的金剛石懸浮拋光液。樣品在研磨拋光機(jī)上進(jìn)行拋光的狀態(tài)如圖8所示。

圖8 樣品拋光示意圖

本實(shí)驗(yàn)對(duì)鈦酸鋇陶瓷一面用磨料進(jìn)行研磨另一面用砂紙進(jìn)行研磨，然后再用W0.25的金剛石懸浮液拋光劑對(duì)試樣進(jìn)行拋光，最后對(duì)比兩種研磨方法下的樣品表面拋光后的效果。

用磨料磨完的樣品表面用肉眼觀察為啞光的磨砂面，用砂紙研磨的樣品表面為帶有劃痕的光亮面。研磨后的兩種樣品表面形貌如圖9所示。

圖9 研磨后的樣品表面形貌圖

用顯微鏡對(duì)不同拋光時(shí)間的表面進(jìn)行仔細(xì)的觀察分析如下所述。從下圖10（a）可見，用磨料磨完的還未經(jīng)拋光的樣品表面在顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，樣品的表面呈磨砂的狀態(tài)，無劃痕存在，表面是有細(xì)小的凹坑。這些凹坑是磨料的磨削過程在樣品表面留下的壓痕或磨削過程中樣品表面的微小顆粒脫落留下的。下圖10（b）所示為用2000#砂紙磨完的樣品的在光學(xué)顯微鏡下觀察到的表面形貌，可見樣品表面有許多不規(guī)則的細(xì)小的劃痕，且樣品表面也有許多細(xì)小的凹坑，劃痕是由于砂紙磨削所留下的，凹坑是由于粉末的微小顆粒脫落所留下的。接下來將對(duì)兩種研磨方法研磨后的樣品表面進(jìn)行拋光。

圖10研磨后的樣品在光學(xué)顯微鏡下的形貌

下圖為對(duì)樣品拋光5min后在光學(xué)顯微鏡下光差到的樣品的表面形貌，圖11（a）為用磨料研磨的樣品拋光5min后在光學(xué)顯微鏡下的形貌，可見樣品表面有兩種形態(tài)，一種是已經(jīng)被拋光的亮黃色區(qū)域，一種是還未拋光的深色斑點(diǎn)區(qū)域，說明用磨料研磨完的樣品表面經(jīng)5min的拋光后已經(jīng)有部分被拋光，但絕大多數(shù)區(qū)域都還未拋光，還租進(jìn)一步的處理。用砂紙研磨的樣品表面經(jīng)5min的拋光后，樣品表面絕大多數(shù)區(qū)域被拋光了，但是后又許多深色的斑點(diǎn)存在，且劃痕還很清晰，沒有被拋光去除，因此也應(yīng)進(jìn)一步進(jìn)行拋光。對(duì)比圖11（a）、（b）兩種圖片可見，用砂紙研磨的樣品經(jīng)5min拋光后比用磨料研磨的試樣經(jīng)5min拋光后亮一些。

圖11 樣品拋光5min后在光學(xué)顯微鏡下的形貌

下圖為用W0.25的金剛石懸浮拋光液拋光10min后的樣品的表面形貌，可見圖12（a）中的深色斑點(diǎn)明顯減少，樣品表面的亮黃色區(qū)域范圍變大，且顏色與拋光5min的顏色相對(duì)比變亮了許多。圖12（b）中深色斑點(diǎn)明顯減少，被拋光的亮色區(qū)域范圍明顯增加，但表面還有清晰的劃痕存在。兩種樣品表面都需要繼續(xù)進(jìn)行拋光，對(duì)比兩張圖片可見，用砂紙研磨的經(jīng)10min拋光的樣品表面亮度比用磨料研磨的經(jīng)10min拋光的樣品表面的亮度要亮的多。

圖12 樣品拋光10min后在光學(xué)顯微鏡下的形貌

下圖為用W0.25的金剛石懸浮拋光液拋光15min后的樣品的表面形貌，可見，圖13（a）中亮黃色區(qū)域有所增加，但是增加的量不明顯，亮度明顯變亮許多，深色斑點(diǎn)區(qū)域還存在許多。圖13（b）中樣品表面亮色區(qū)域也有一定量的增加，深色的斑點(diǎn)逐漸變小，但是還有少許劃痕存在。對(duì)比兩張圖片可見，圖13（b）比圖13（a）要亮的多一些，但樣品的兩種表面都需要進(jìn)一步進(jìn)行拋光。

圖13 樣品拋光15min后在光學(xué)顯微鏡下的形貌

下圖為用W0.25的金剛石懸浮拋光液拋光15min后的樣品的表面形貌，可見，圖14（a）中深色斑點(diǎn)越來越小，樣品表面亮度有一定程度的提高，但是深色斑點(diǎn)減小的范圍幅度并不明顯。圖14（b）中樣品表面亮度明顯變亮，深色斑點(diǎn)明顯減少，劃痕只有很淺的印記存在。對(duì)比兩張圖片可見，用砂紙研磨的樣品表面明顯比用磨料研磨的樣品表面亮，但兩種樣品都還需進(jìn)行進(jìn)一步的拋光。

圖14 樣品拋光20min后在光學(xué)顯微鏡下的形貌

下圖為用W0.25的金剛石懸浮拋光液拋光15min后的樣品的表面形貌，可見，圖15（a）深色斑點(diǎn)幾乎不減少，只是樣品表面亮度有一定提高。圖15（b）中深色斑點(diǎn)只有很少量的減少，亮度增加明顯。對(duì)比兩張圖片可見圖15（b）比圖15（a）亮度高，未拋光的區(qū)域少，劃痕已經(jīng)全部被拋光掉。

圖15 樣品拋光25min后在光學(xué)顯微鏡下的形貌

對(duì)比不同時(shí)間下，用磨料研磨的樣品可見，當(dāng)樣品拋光時(shí)間達(dá)到15min后，樣品表面的深色斑點(diǎn)幾乎不再減少，只是亮度有一定程度的提高。對(duì)比不同時(shí)間下，用砂紙研磨的樣品可見，隨著拋光時(shí)間的延長(zhǎng)，樣品表面亮度逐漸提高，深色斑點(diǎn)逐漸減少，但當(dāng)樣品拋光20min后樣品表面亮度增加明顯，深色斑點(diǎn)減小的幅度不大。將兩組照片對(duì)比可見，用砂紙研磨后的樣品，在光學(xué)顯微鏡下觀察狀態(tài)要比用磨料研磨的試樣的狀態(tài)好的多。

將兩面都拋光完畢的試樣從載樣塊上取下，并放在裝有酒精的杯子中，放到超聲波清洗機(jī)中進(jìn)行清洗，清洗后用電吹風(fēng)吹干。為使樣品*清洗干凈，可以適當(dāng)延長(zhǎng)超聲波的清洗時(shí)間，這里我們對(duì)樣品清洗10min。超聲波清洗過程如圖26所示。

圖26 超聲波清洗樣品圖

拋光完清洗后的樣品表面如圖17所示，可以看到，用肉眼觀察時(shí)兩種研磨方法研磨完的樣品表面都光亮如鏡，可以十分清楚地反射出周圍的物體，且物體影像十分清晰，說明兩種方法研磨拋光后的鈦酸鋇陶瓷表面光澤度都高，都是十分光亮的表面。

（a）磨料研磨的樣品拋光后的形貌

（b）砂紙研磨的樣品拋光后的形貌

圖27 用超聲波清洗后的樣品圖

結(jié)論：1、在其它條件相同的情況下，鈦酸鋇陶瓷更適合于用砂紙進(jìn)行研磨。

           2、用肉眼觀察，拋光后的鈦酸鋇樣品表面都可以達(dá)到光亮的的程度。

參考文獻(xiàn)：

1.李恒德主編,現(xiàn)代材料科學(xué)與工程辭典,山東科學(xué)技術(shù)出版社,2001年08月第1版,第444頁(yè).

2.陳祖熊，王堅(jiān)編著. 精細(xì)陶瓷 理論與實(shí)踐. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社, 2005.03.