研磨和拋光是經典的（de）超精（jīng）密（mì）加工技術，被廣泛（fàn）應用（yòng）於脆性難加工半導體襯（chèn）底材料的超光滑無損傷加工，比如矽、氮化（huà）镓和藍寶石等（děng）材料的加工。通（tōng）過研磨和拋光可以有（yǒu）效去除前道工序造成的加工損傷，並獲得超光滑無損傷的工件表麵（miàn）。研拋磨粒作為研拋工藝的核心（xīn）輔助材（cái）料之一，研拋磨粒選擇的恰當（dāng）與（yǔ）否直接影響到研拋效率和研拋質量的高低（dī）。
本文從研拋磨粒的組成方式和（hé）結構特點等角度出發，總結了研拋磨粒對加工（gōng）結（jié）果的影（yǐng）響，以及新型研拋磨粒的研究進展，為研拋磨粒的科學選擇和應用提供參考。
一、單（dān）一磨粒
研拋工藝（yì）要求不同，采用的磨粒（lì）材（cái）質（zhì）也不同，常見磨粒有二氧化矽（SiO2）、氧化鈰（CeO2）、碳化硼（B4C）、氧（yǎng）化鋁（Al2O3）、碳化矽（SiC）和金剛石等。不同材質（zhì）的磨（mó）粒對不同材質工件研拋結果的影響差異（yì）顯著，這（zhè）主要體現在磨粒的硬度（dù）和化學活性等方麵。
1、磨（mó）粒形狀（zhuàng）因素
研究主要對（duì）比了含棱角磨粒與圓（yuán）鈍磨粒對研拋（pāo）結果的影響，發現含棱角磨粒更適合高（gāo）效率的研拋需（xū）求，圓鈍磨粒更適合高質量的研拋需要。雖然圓鈍磨粒更有利於提升研拋質量，但是圓鈍磨粒普（pǔ）遍存在研拋效率較低（dī）的問題。為了解（jiě）決上述問題，眾多學者（zhě）提出（chū）了製備異形磨粒的方法。所謂異形磨粒是指相對於傳統的球形（xíng）SiO2磨粒，製備出的非球形SiO2磨粒。Lee和Salleh等通過試驗發現應用異形（xíng）SiO2磨粒既可以（yǐ）解決由硬質磨粒（如Al2O3）引起的劃痕問題，又可以避免球形SiO2磨（mó）粒研拋（pāo）效率較低的問題。
2、其他因素
磨粒粒徑的影響。磨粒粒徑越大，材料去除率越（yuè）高；當粒徑固定時，相比於兩體磨粒去除的固結磨料研拋工藝，三體（tǐ）磨粒去除的遊離磨料研拋工藝中部分磨粒的滾動行為雖然限製了材料去除（chú）率的提升，但是促進了研拋質量的提高（gāo）。
磨（mó）粒濃度的影響。隨磨粒濃度（dù）的增加，研拋效率也（yě）在增加（jiā）。潘繼生等采用金剛石磨粒對藍寶石進行研拋時，隨磨粒濃（nóng）度（dù）的增大，材料去除（chú）率和（hé）表麵粗糙度分別（bié）會在不同濃（nóng）度值達到峰值。
研拋環境（jìng）對磨粒研拋機理（lǐ）的影響。酸性環境下，SiO2磨粒（lì）與藍寶石表麵（miàn）電荷極性相反，由於靜電吸附（fù）增加（jiā）了磨粒與晶體表麵的接（jiē）觸概率；堿性環（huán）境（jìng）下，SiO2磨粒與晶體表麵電荷極性相同（tóng），由於同性相斥作用降低了磨粒與晶（jīng）體（tǐ）表麵的接觸概率。這（zhè）意味著，在酸（suān）性條（tiáo）件下，磨粒與晶體表麵的接（jiē）觸（chù）行為主導拋光效率；但是堿性條件下，晶體表麵變質層的生成速率主導拋光效率。CeO2磨（mó）粒研拋石（shí）英玻璃，玻璃（lí）表麵材料去除（chú）主要由磨粒與工件的界麵（miàn）摩擦（cā）化學（xué）腐蝕作用主導，而非簡單的機械研（yán）拋過程。
二、混合磨粒
在單一磨粒的應用過程中，有（yǒu）些磨粒（lì）偏向獲得較高的研拋效率，有些磨粒偏向獲得較好（hǎo）的研（yán）拋質量，為了能夠顯著提升研拋效率，有學者提出了使用混合磨粒。混合磨粒主要指（zhǐ）研拋（pāo）過程中使用兩種或多種不同磨粒按比例混合的磨粒，其中磨粒的不同主要體現為材質和粒徑等方麵（miàn）的（de）不同。
Jindal等將較大粒徑的Al2O3磨粒分別與較小粒徑的SiO2、CeO2等磨粒進行混（hún）合，實現了對單一磨粒研拋性能的提升（shēng）。通過（guò）顯微形貌分析顯示在大粒徑的磨（mó）粒外圍（wéi）吸（xī）附滿了小粒徑的磨粒，相（xiàng）比於（yú）純Al2O3磨粒，表麵吸附了SiO2或CeO2的（de）混合磨（mó）粒，既可（kě）以避免純（chún）Al2O3磨粒的團聚，還可以利用（yòng）小粒徑磨粒的化（huà）學活（huó）性來提升混合磨粒（lì）的研拋效率。
Park等將ZrO2磨粒與SiO2磨粒進行（háng）混（hún）合，Lee等將納米金剛石磨粒與SiO2磨粒混合，可以提升SiO2磨粒的研拋效（xiào）率。在混合磨粒中，隨著納米金剛石磨粒濃度的（de）增加，材料的（de）研拋效率也同（tóng）步增加；在研拋過程（chéng）中，納（nà）米金剛石（shí）磨（mó）粒（lì）主導工件表麵材料的去除，SiO2磨粒則負責殘留機械加工痕跡（jì）的去除。
除了（le）上述不同材質磨粒（lì）之間的混合，還存在相同材質（zhì）不同粒徑磨粒之間（jiān）的混合。Lee等將粒徑為30nm和70nm的SiO2磨粒按比例進行混合，隨（suí）著兩種磨粒（lì）濃度比的改變，工件表麵材料的去除方（fāng）式也發生兩體（tǐ）和三體磨粒去除的改變（biàn），當兩種磨粒質量比為2∶1時，材料（liào）去除方式為兩體磨（mó）粒去除，材料的去除率最高。Bun-Athuek等將粒徑為4nm的SiO2分別與20nm、55nm、105nm的SiO2磨粒混合，混合磨粒的（de）形成示意圖分（fèn）別如圖3所示，發現超細磨粒吸附在大粒徑（jìng）磨粒外圍，改變（biàn）了大粒徑磨粒的（de）形貌特征，提升了研拋效率。Lee等將粒徑為30nm的球形磨粒和70nm的（de）非球（qiú）形磨粒進（jìn）行混合，相比（bǐ）球形SiO2磨粒，混合（hé）磨（mó）粒可顯著提升研拋（pāo）效率；此外，提升球形磨粒在混合磨粒中的比例，可以（yǐ）改善非球形磨粒的切削能力（lì），提升研（yán）拋質量。
三、複合磨粒
相對（duì）於單一磨粒，混合磨粒盡管可以有效提（tí）升研拋效率，但是並不能顯著改（gǎi）善研拋質量，為了能進一步（bù）改善研拋質量，並兼顧研拋效率，有學（xué）者（zhě）提出了應用複合磨粒。複合磨粒指以某（mǒu）一種磨粒或化合物為主體（tǐ），將其他磨粒、金屬元素或化合物等附屬（shǔ）結構通過化（huà）學方式與主體融為一體的磨粒，常（cháng）見的複合（hé）磨粒有核殼型複合磨粒（藍寶（bǎo）石｜DND@CeO2核（hé）殼型磨料的（de）製備）和摻雜型複合（hé）磨粒。近幾年來（lái），複合磨（mó）粒的研究取（qǔ）得了顯著的成果。
核殼型複合磨粒的內核為大粒徑的磨粒或化（huà）合物，外殼為通過化學方式粘結於內核表麵的小粒徑磨粒層或化合物層。在研（yán）拋過程（chéng）中，核殼型複合磨粒的核與殼表現出物理和化學方麵的協同效應，更有利於提升研拋質量。首先，複合磨粒內核為較硬的大粒（lì）徑磨粒，主要負責支（zhī）撐整（zhěng）體結構；外殼為較軟的小粒徑磨粒，主要負（fù）責（zé）工件表麵材料的去除。相比單一硬度的實心磨粒（lì）結構，該複合磨粒具有“內硬外（wài）軟”的結構特點，更有利於提升磨粒（lì）的研拋性能。
摻雜型複合磨粒指以某一磨粒為載（zǎi）體，通過化學方式將金（jīn）屬元素（sù）摻入其中而形成（chéng）的複合磨粒，該複合磨粒可以提升原（yuán）磨粒的表麵化學活性，獲得更好的研拋性能。
參考資料：
1、《超精密表（biǎo）麵研拋磨粒的研究進展》
2、《研拋（pāo）磨粒對（duì）超精密表麵加工的影響》作者：周（zhōu）兆鋒
3、鄭州千磨官網
