摘要：金剛石砂帶是一種具有出色磨削效果和高度耐磨性的材料，廣泛應用于難加工材料的加工領域。近年來，基于微圖案的超精密金剛石砂帶逐漸引起了研究人員的興趣。這種砂帶采用微小尺度的圖案結構，可以進一步提高金剛石砂帶的磨削性能和加工精度。本文將介紹基于微圖案的超精密金剛石砂帶的研究現狀及制備影響因素進行討論，并對其發展趨勢進行展望。
       關鍵詞：微圖案 金剛石 砂帶 加工
       1. 微圖案柔性拋光材料應用背景

       隨著微制造技術的不斷發展，微圖案的金剛石研磨產品在航空航天、汽車制造、電子芯片加工等領域具有廣闊的應用前景。金剛石研磨帶作為一種高效的、超精密的磨削工具廣泛應用于難加工(DTM)材料的加工，隨著工業機器人系統的出現和發展，以及對精密、自動化工作的需求不斷增加，對傳統磨拋工具的效率和耐用性提出了巨大挑戰[1,2]。具有耐用性的彈性工具，在加工過程中可以避免由局部硬接觸引起工件的表面/亞表面損壞。因此，基于微圖案的超精密金剛石砂帶將會在現代工業加工領域中發揮越來越重要的作用。然而，傳統的平整砂帶存在著磨削效果不穩定和加工精度不高等問題。基于微圖案的超精密金剛石砂帶通過在砂帶表面引入微觀圖案結構，可以顯著改善其磨削性能和加工精度。

       2. 微圖案柔性拋光制品用樹脂結合劑的性能特點

        樹脂結合劑具有較高的抗拉強度、低磨削力、低磨削溫度和一定的彈性，相對于陶瓷基與金屬基的磨具，樹脂基磨具更適合于對工件進行精細的加工和研磨，常用的樹脂結合劑及其特點如圖2所示。其中酚醛樹脂(Phenol-formaldehyde，PF)是由酚類與醛類反應合成的一類樹脂，特別是苯酚與甲醛，因其高阻燃性、耐化學性、耐熱性、機械強度、粘接強度和尺寸穩定性而被廣泛應用于磨具粘結劑，提高酚醛樹脂的耐熱性和降低酚醛樹脂的脆性仍是增強樹脂性能的主要方向。
       環氧樹脂(Epoxy，EP)是指含有一個以上環氧基團的低分子量預聚物，以其優異的機械性能、高粘接強度被廣泛應用于增強復合材料等領域，是一類作為通用粘合劑和增強聚合物基復合材料的熱固性樹脂。在磨拋應用方面，環氧樹脂由于耐熱性較低，在干式加工中環氧樹脂砂輪會產生黏附磨損，環氧樹脂的耐熱性和機械性能介于酚醛樹脂與聚氨酯樹脂之間，通常用于對聚氨酯的增強改性和酚醛樹脂的增韌改性。
       聚氨酯(Polyurethane，PU)是以氨基甲酸酯基團為主要重復結構單元的聚合物，其中氨基甲酸酯是由醇(-OH)與異氰酸酯(-NCO)反應產生的，聚氨酯中也可含有其他如醚、酯、脲和一些芳香族基團。由于合成聚氨酯原料的來源多種多樣，加上其廣泛的應用范圍，聚氨酯可分為水性聚氨酯、熱塑性聚氨酯、熱固性聚氨酯以及聚氨酯泡沫等。熱固性聚氨(Thermoset polyurethane)的微觀結構通常比熱塑性聚合物更堅固。熱固性聚合物的優點使其成為形狀記憶聚合物的極佳原料，具有較高的形狀固定率和形狀恢復率，也同時可以被設計成精加工用的柔性磨削工具。

       3. 制備微圖案結構的影響因素分析

       3.1 微圖案結構的特點
       砂帶表面的結構設計是多元的，合理的結構單元和單元間隙使得砂帶表面具有特定的紋理，如圖3所示，可以提高砂帶和磨削時的綜合性能。砂帶表面結構的實現需依靠砂帶的成型技術，而砂帶結構的成型方式取決于樹脂結合劑的固化特性。對于樹脂結合劑而言，可以通過復制主體幾何結構來轉移到基板材料上，這種轉移可以通過熱、光、力、化學活化或其他能量輸入等方式來實現。微圖案設計是基于微圖案的超精密金剛石砂帶研究的關鍵環節。通過優化圖案的形狀、尺寸和分布等參數來實現砂帶的優化磨削性能。常見的微圖案制備方法包括傳統熱壓花成型、氣體/超聲波輔助壓/紫外、紅外激光輔助壓花、化學蝕刻、電火花放電加工、激光加工、紫外/X射線/電子束光刻、3D打印和微納米制造技術等。超精密金剛石砂帶的微圖案結構設計涉及到以下五個方面：微圖案尺寸的設計；樹脂結合劑種類；成型工藝；金剛石表面處理；金剛石粒度。

       3.2 微圖案結構的制備方法
       對于熱固化樹脂體系而言，微熱壓花是一種高效益的結構復制技術，可通過在適當的壓力和溫度下將微結構圖案從母模上轉移到聚合物基材上，分為四個階段：(1)將基材與模具加熱至成型溫度；(2)在成型溫度下加壓使基材表面得到微圖案結構；(3)基材與模具冷卻至可脫模溫度；(4) 脫模。根據成型工具的不同，微熱壓印法主要可分為板對板(P2P)、卷對板(R2P)和卷對卷(R2R)三種，壓花裝置的結構，如圖4所示。

       帶有磨料的聚合物基復合材料 (PMC)有助于磨削工具在不銹鋼、玻璃等難加工材料、硬脆材料的表面上均勻去除工件材料。同時，磨具的結構在磨損性能中起著至關重要的作用，良好的結構可以促進切屑的排出和冷卻液的流動，涂附半球形和金字塔形團塊組成的結構工具可以保持持久的磨削能力。此外，與傳統磨料相比，超硬磨料可以提供更為卓越的耐磨性，尤其適用于結構化和紋理化的金剛石工具。
       3.3 樹脂結合劑種類對微圖案顯微結構的影響
       陣列結構形貌因樹脂結合劑種類的不同而產生差異，樹脂結合劑的熱固化參數、機械性能數值都將影響微圖案結構的形貌，以此影響金剛石制品的外觀及其在磨拋應用中的效果。

       圖5展示了性能的樹脂結合劑對微圖案結構形貌的影響，其中金剛石顆粒在兩種樹脂體系下均分散良好并被樹脂結合劑充分包裹。高自銳性樹脂結合劑制備而成的結構單元表面較為粗糙，復制結構單元表面成鱗片狀，適用于大去除量磨削用途。高自韌性樹脂結合劑制備而成的結構單元表面較為光滑，復制結構單元表面成峰點狀，適用于超精密研磨用途。
       4. 微圖案結構的磨拋效果分析

       4.1 金剛石磨料處理
       基于微圖案的超精密金剛石砂帶在磨削性能方面取得了顯著的改善。金剛石作為主要磨削單元被包裹在樹脂結合劑中，形成金剛石與樹脂相結合的復合磨料群體。對于金剛石磨料復合磨料為樹脂結合劑與金剛石及填料組成的復合材料，金剛石與樹脂的界面結合狀態對磨料的性能有著重大的影響。而金剛石表面惰性較大，導致金剛石與結合劑的結合能力不足，在磨削過程中容易脫落。因此，需要對金剛石的表面進行處理，從而增強金剛石與樹脂的結合能力。
       在砂帶制備流程中，常用的金剛石處理方法包括偶聯劑處理和金屬鍍覆處理，與未經處理的金剛石磨料相比，金剛石磨料經過KH550和鍍Ni處理后，制備成的復合磨料的彎曲強度分別提高了5.2%和3.2%，彎曲強度分別提高了8.6%和6.7%。金剛石磨料在經過外力沖擊后的表面仍粘結有大量的樹脂，金剛石對樹脂有著更好的親潤性。表明KH550處理過后致使金剛石的表面惰性被得到了改善，磨料與樹脂的結合能力增強，導致磨料在磨削過程中不易脫落，從而使得機械性能與磨削性能均得到了提升。金剛石經過鍍Ni處理后，表面鑲嵌有大量的樹脂，這是由于鍍Ni后的金剛石變得更加粗糙，樹脂與磨料的機械嚙齒力大幅度增加，提高了結合劑對金剛石的把持力，因而復合磨料的磨削比得到了較大幅度的提高在圖6中可以觀察到經過處理的、晶型完整的金剛石顆粒被樹脂良好的結合在表面，出刃良好的金剛石磨料能極大提升砂帶對被加工材料的去除能力。

       4.2 微圖案結構的打磨特點
       在金剛石顆粒的排列上，微圖案可以使金剛石顆粒更加均勻地分布在砂帶表面，從而提高砂帶的磨削效果和耐磨性。微圖案可以改變砂帶與工件之間的接觸方式，從而減小砂帶對工件的侵入深度，提高加工精度和加工表面質量。圖7展示了不用金剛石粒度的砂帶制品，在圖中可以觀察到經過壓花處理形成微圖案的砂帶表面，這些圖案由一個個獨立的磨削單元組成，每一個磨削單元都有鱗片狀的金剛石/樹脂復合磨料組群覆蓋，形成獨特的磨削機制。此外，在磨削單元間隙中，留有充足的通道。在干磨削過程中，這些通道可以提高砂帶表面的容屑能力、促進空氣的流通，提高磨削工具的散熱能力，保證砂帶的持久磨削能力，并防止工件過熱燒傷、應力集中等問題。在濕磨過程中，這些通道可以促進冷卻液的流通與貯存，使砂帶與工件的接觸過程中始終處在冷卻與潤滑狀態，在超精密研磨中，微圖案結構的樹脂結合劑金剛石砂帶能起到降低磨削溫度、提高加工質量和延長砂帶使用壽命的作用。

       4.3 工業機器人干拋光手機玻璃背板的磨削結果分析
       通過引入微圖案，微圖案的超精密金剛石砂帶在加工精度方面也取得了重要突破。微圖案可以有效控制金剛石顆粒的尺寸和分布，使砂帶具備更高的加工精度和穩定性。此外，還可以通過優化圖案的形狀和密度，實現了對加工特性的進一步調控。圖8展示了應用微圖案的超精密金剛石砂帶對手機玻璃背板干拋結果，其中夾具為工業機器人。對手機玻璃背板進行4次30秒的短加工結果，工件起始粗糙度197nm；粗拋階段玻璃背板表面粗糙度降低到122nm；半精拋階段粗糙度降低至39nm；精拋階段粗糙度降低至24nm；最后經過光拋玻璃背板的表面粗糙度達到了8nm。經過金剛石砂帶的打磨，使得玻璃表面質量有了質的飛躍，在降低其表面粗糙度的同時提高其表面光亮度，完成一道完整的打磨拋光工序。由上述結構可以觀察出，陣列結構磨具能夠在30s的短時間內對工件表面材料進行有效地去除。隨著磨損試驗進行，工件的碎屑易在金字塔結構的粗糙平臺上造成黏附磨損進而影響材料的去除效率，但有利于拋光效果的提升，并促進磨拋一體化。

       5. 結論與展望

       具有微圖案結構的樹脂金剛石砂帶，在磨削測試過程中表現突出，能在短時間內將不銹鋼、微晶玻璃等難磨、硬脆材料表面粗糙度降至納米級別。其中，聚合物與超硬磨料組成的陣列磨削單元在磨削過程中發揮了良好的作用。不僅可以促進切屑的排出和冷卻液的流動，還能使金剛石砂帶可以保持持久的磨削能力。進而，促使砂帶適應進行自動化打磨系統，提高零部件的加工效率與精度。
       基于微圖案的超精密金剛石砂帶是一項具有巨大潛力的研究領域。通過優化微圖案的設計和加工工藝，可以顯著提高砂帶的磨削性能和加工精度。然而，目前仍存在一些挑戰，如圖案設計的復雜性、加工工藝的穩定性等。未來的研究應關注這些方面：樹脂結合劑性能調控及其工藝特性優化；超硬磨料表面處理及其與樹脂結合劑間的界面反應；微圖案的結構設計與分布調控；超硬制品的磨拋應用性能檢驗及數據反饋，并提出解決方案，以推動微圖案的超精密金剛石砂帶技術的進一步發展。
       作者：河南工業大學材料學院 彭進 宋旭東