基于二氧化钛光催化氧化作用的金刚石刀具刃磨理论与技术

Aiming at the requirements and problems of diamond tool sharpening in the field of ultra-precision cutting, a new sharpening technology based on titanium dioxide photo catalytic oxidation was proposed. By the novel technology, this project researches the micro action mechanism between diamond and strong oxidative functional groups (hole and hydroxyl radical oOH, etc.) on titanium dioxide surface under photo catalysis, and prepare strong oxidative sharpening slurry in the presence of ultraviolet irradiation. With the help of mechanical scratching effect of polishing plate and strong oxidation effect of functional groups on titanium dioxide, the atomic removal of diamond was acheived under the chemical and mechanical synergistic effects. On this basis,the meterial removal mechnism and the sharpening technique are studied, and the surface and sub-surface damages are analyzed. By adopting the scheme of titanium dioxide photo catalytic oxidation, light energy is used to remove material effectively, which will aviod the problems raised by traditional oxidants, such as serious volatilization, oxidant decomposition, environmental pollution, equipment corrosion, low sharpening efficiency and so on. Finally, the sharpening of diamond tool could be realized with high efficiency, high-precision and free- damage.

针对超精密切削加工领域对金刚石刀具的刃磨要求以及目前金刚石刀具刃磨加工中存在的问题，提出基于二氧化钛光催化氧化作用的金刚石刀具刃磨新工艺。针对这一新工艺，研究在光催化条件下二氧化钛表面产生的强氧化性官能团（空穴和羟基自由基oOH等）与金刚石的微观作用机制，配制紫外光照射条件下具有强氧化性的新型刃磨抛光液，并借助抛光盘的机械摩擦作用和二氧化钛颗粒表面官能团的强氧化作用，以化学和机械协同抛光的形式达到原子级去除金刚石的目的。揭示金刚石刀具刃磨的微观作用过程和材料去除机理，研究二氧化钛光催化氧化作用刃磨新工艺，并检测分析刃磨后金刚石表面和亚表面的损伤。通过采用二氧化钛光催化氧化作用的方案，有效地利用光能实现材料去除，避免了传统氧化剂引起的抛光液挥发严重、氧化剂分解、污染环境、腐蚀设备、抛光效率低等问题，实现金刚石刀具的高效、高精度、低损伤刃磨。

高精度、低损伤的金刚石刀具是超精密切削加工向纳米尺度及其极限精度发展的必备条件，针对普遍采用机械刃磨方法存在的损伤大、表面粗糙度高、难以获得纳米级刃圆半径等缺点，提出采用光催化辅助抛光的方法刃磨金刚石刀具。该方法利用纳米二氧化钛在紫外光照射条件下产生的具有强氧化的羟基自由基氧化金刚石以实现材料的低损伤、纳米级抛光。为此，（1）设计搭建了光催化辅助抛光试验平台，研制了光催化辅助抛光液。采用有机显色剂褪色试验及电化学试验表征了抛光液性能。得出较好的抛光液成分为P25二氧化钛作为光催化剂，双氧水作为电子捕获，氧化铝作为磨料，六偏磷酸钠作为分散剂。光催化剂对抛光影响最大，其次为电子俘获剂，再者为磨料和分散剂。（2）研究了光催化辅助抛光的加工工艺，得出机械研磨结合光催化抛光的高效加工工艺。高功率紫外光照射、酸性环境、P25光催化剂是高催化效率的条件。经过机械研磨和光催化抛光后金刚石表面粗糙度可达到Ra0.5nm以下。（3）从化学动力学角度研究了多能量耦合抛光金刚石的机械和化学协同作用理论，得出金刚石表层原子在磨料和抛光盘机械磨擦作用下首先发生晶格畸变，氧化活化能降低，接着被氧化去除的结论。通过对XPS成分分析及AFM微观形貌分析，揭示光催化辅助抛光机理为：纳米二氧化钛在紫外光照射条件下表面产生电子和空穴，电子被双氧水捕获，空穴将水氧化为羟基自由基，羟基自由基将金刚石氧化。二氧化钛不直接参与金刚石的化学反应，抛光后金刚石表面存在C-O、C=O和O-C=O官能团，说明氧化是一个逐步的过程。（4）对比机械抛光和光催化辅助抛光后的金刚石刀片，发现光催化辅助抛光因引入化学作用，削弱机械作用，从而更容易获得光滑表面、刀具边缘，没有引入明显崩刃和杂质，是一种可实现金刚石刀具超光滑低损伤无污染的刃磨方法。项目研究成果为金刚石、碳化硅及其他硬脆材料的超光滑低损伤抛光提供了新思路。