研磨和拋光是經典的（de）超精密（mì）加工技術，被（bèi）廣泛應用於脆性難加工半導體襯底材料（liào）的超光（guāng）滑無損傷加工，比如矽、氮化镓（jiā）和藍寶石等材料的加工。通（tōng）過研磨和（hé）拋光可（kě）以有（yǒu）效去除前道（dào）工序造成的加（jiā）工損傷，並獲得超光滑無損傷（shāng）的工件表麵。研拋磨粒作為研拋工藝（yì）的核心輔助材料（liào）之一，研（yán）拋磨（mó）粒選擇的恰當與否直接影響到研拋（pāo）效率和研拋質量的高低（dī）。
本（běn）文從研拋磨粒的組成方式和結構特點等角度出發，總結了研拋磨粒對加工結果的影響，以及新型研拋磨粒的研究進展，為（wéi）研拋磨粒（lì）的科學選擇和應用提供參考。
一、單一磨粒
研拋工藝要（yào）求不同，采（cǎi）用的磨粒材質也（yě）不同，常見磨粒有（yǒu）二氧化矽（SiO2）、氧（yǎng）化鈰（CeO2）、碳化硼（B4C）、氧化鋁（Al2O3）、碳化矽（SiC）和金剛石等。不同材質（zhì）的磨粒對不同（tóng）材質工件研拋結果的影響差異顯著，這主要（yào）體現在磨粒的硬度和（hé）化學活性等方麵。
1、磨粒形狀因素
研究主要對比了含棱角磨粒與圓鈍磨粒對研拋結果的影響，發現（xiàn）含棱角磨粒更適合高效率的研拋需求，圓鈍磨粒更（gèng）適合（hé）高質量的（de）研拋需要。雖然圓鈍磨（mó）粒（lì）更有利於提升研拋質量，但是圓鈍磨粒普遍存在研拋效率（lǜ）較低的問題。為了解決上述問題，眾多學者提出了製備異形磨（mó）粒的方法。所（suǒ）謂異形磨粒是指相（xiàng）對於傳（chuán）統的球形SiO2磨粒，製備出的非球形SiO2磨粒。Lee和（hé）Salleh等通過試驗發（fā）現應用異形（xíng）SiO2磨粒既可（kě）以解決由（yóu）硬質磨粒（如Al2O3）引起的劃痕問題，又可以（yǐ）避免球形SiO2磨粒研拋效率較低的問題。
2、其他因素（sù）
磨粒粒徑的影響。磨粒（lì）粒徑越大，材料去除率越高；當粒（lì）徑固定時，相比於兩體磨粒去除的固結磨料研拋工藝，三（sān）體（tǐ）磨粒去（qù）除的遊離磨料研拋工藝中部分磨粒的滾動行為雖（suī）然限製了材料去除（chú）率的提升，但是促進了研拋質量的提（tí）高。
磨粒濃度的影響。隨磨粒濃度的（de）增加，研拋效率也在增加。潘繼生等（děng）采（cǎi）用金剛石磨粒（lì）對藍寶石進行（háng）研拋時（shí），隨（suí）磨粒（lì）濃度的增大，材（cái）料去除率和（hé）表麵粗糙（cāo）度分別會在不同濃度值達到峰值。
研拋環境對磨粒（lì）研拋機理的影響。酸性環境下，SiO2磨粒與藍寶石表（biǎo）麵電（diàn）荷極性相（xiàng）反，由於靜電吸附增加了磨（mó）粒與晶體表（biǎo）麵（miàn）的接（jiē）觸概率；堿性環境下，SiO2磨粒與晶體表麵電荷極性相同，由於同性相斥作（zuò）用降低了磨（mó）粒與晶體表麵的接觸概率。這意味著，在酸性條件下，磨粒（lì）與（yǔ）晶體表麵的（de）接觸（chù）行為主導拋光效率（lǜ）；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磨粒研拋石英玻璃，玻璃表麵材料去除主要由磨粒與工件的界（jiè）麵摩擦化學腐蝕（shí）作用主導，而非簡單（dān）的機（jī）械研拋過程。
二、混合磨粒
在單一磨粒的應用過程中，有些（xiē）磨粒偏向獲得較高的研拋效（xiào）率，有些磨粒偏向獲得較好的研拋質量，為了能夠顯著提升研拋效率（lǜ），有學者提出了使用混合磨（mó）粒。混合磨粒主要指研拋過程中（zhōng）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的不同。
Jindal等將較大粒徑（jìng）的Al2O3磨粒分別與較（jiào）小粒（lì）徑的SiO2、CeO2等磨粒進行混合，實現了對單一磨粒研拋（pāo）性能的提升。通過顯微（wēi）形貌分（fèn）析顯示在大粒徑的磨粒外圍吸附滿了小粒徑的磨粒，相比於純Al2O3磨粒，表麵吸附了SiO2或CeO2的混（hún）合磨粒，既可以避免純（chún）Al2O3磨粒的團聚，還可（kě）以（yǐ）利用小粒徑磨粒的化學活性來提升混合磨粒的研拋效率。
Park等將ZrO2磨粒與SiO2磨粒進行混合，Lee等將納米金剛石磨粒與（yǔ）SiO2磨粒混合，可以提升SiO2磨粒的研拋效率。在混合（hé）磨粒中（zhōng），隨著納米金剛石磨粒濃度的增加，材料的（de）研拋效率（lǜ）也同步增加（jiā）；在研拋過程中，納米金剛石磨粒（lì）主（zhǔ）導工件表麵材料的去除，SiO2磨粒則負責殘留機械加工痕跡的去除。
除了上述不同材質磨粒（lì）之間的混合，還存在（zài）相同材質不同（tóng）粒徑磨粒之間的混合。Lee等（děng）將粒徑為30nm和70nm的SiO2磨粒按比例進行混合，隨著兩種磨粒濃度比的改變，工件表麵材料的去除方式也發生（shēng）兩體和三體（tǐ）磨（mó）粒去除的改變，當兩種磨（mó）粒（lì）質量比為（wéi）2∶1時，材料去除方式（shì）為兩體（tǐ）磨粒去除，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（lì）的（de）形成示意（yì）圖分別如（rú）圖3所示，發現超（chāo）細磨粒（lì）吸附在大粒徑（jìng）磨粒（lì）外圍，改變了大粒徑磨粒的形貌特（tè）征，提升了研拋效（xiào）率。Lee等將粒徑為30nm的球形磨（mó）粒（lì）和70nm的非球形磨粒進行混（hún）合，相比球形SiO2磨粒，混合磨粒可顯著（zhe）提升研拋效率；此外，提升球（qiú）形磨粒在混（hún）合磨粒中的比例，可以改（gǎi）善非球形磨粒的（de）切削能力，提升研拋質量。
三（sān）、複合磨粒
相對於單一（yī）磨粒，混合磨粒盡管可以有效提升研拋效（xiào）率，但是並不能顯（xiǎn）著改善研拋質量，為了能進一步（bù）改善研拋質量，並兼顧研拋效率，有學（xué）者提（tí）出了應用（yòng）複合磨粒。複合磨粒指以某一種磨粒或化合物為主體，將其他磨粒、金屬元素或化合物等附屬結構通過化學方式與主體融為一體的（de）磨粒，常（cháng）見的複合磨粒有核殼型複合磨（mó）粒（藍寶（bǎo）石｜DND@CeO2核殼型磨料的（de）製備）和摻雜型複合磨粒。近幾年來，複合磨粒的研究取得了顯著的成果。
核殼型複合磨粒的內核為大粒徑的磨（mó）粒或（huò）化合物，外殼為通過化學方式粘結於（yú）內核（hé）表麵的小粒徑磨粒層或化合物層（céng）。在研拋過程中，核殼（ké）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（yán）拋質量（liàng）。首先，複合磨粒（lì）內核為（wéi）較硬的大粒徑磨粒，主要（yào）負責支撐整體結（jié）構；外殼（ké）為較軟的小粒徑磨粒，主要（yào）負責工件表（biǎo）麵材料的去除。相比單一硬度的實心磨粒結構，該複合磨粒具有“內硬外軟”的結構特點，更有利於提升磨粒的研拋性能（néng）。
摻雜型複合磨粒指以某一磨粒為載體，通過化學（xué）方式將金屬元素摻入其中而形成（chéng）的複合磨粒，該複合磨粒可以（yǐ）提升原磨粒的表麵（miàn）化學活性，獲得更好的研拋性（xìng）能。
參考（kǎo）資料：
1、《超（chāo）精密表麵研拋磨粒的研究進展》
2、《研拋磨粒（lì）對超精密表麵加工的影響》作者：周兆鋒
3、鄭州千磨官網
