金刚石/Fe3O4磁性聚集磨料的制备及应用研究

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磁流变抛光作为超精密加工的新兴技术,是目前热门研究课题。传统磁流变抛光液中的磨料和磁性粉体是以简单机械方式混合,磨料添加比例较少,仅占固体总量的5wt%7wt%,而且在流变过程中,磨料在浆体结构中容易偏析,磨粒不能全部得到有效使用。通过化学沉淀法在磨料表面包裹磁性材料,在范德华力和磁力作用下形成磁性聚集磨料,此产品替代磁流变抛光液中的磁性颗粒和磨料,以提高磨料含量,解决磨料在流变过程中的偏析问题,从而提高抛光效率。本研究以Fe2+盐为铁源,水合肼为沉淀剂和形貌控制剂,探讨了不同的工艺条件(pH、温度、时间)对合成Fe3O4颗粒大小、磁性能的影响。确定了Fe3O4最佳合成工艺条件为:pH9、反应温度70℃和合成时间5hr,所制备的样品饱和磁化强度为66.3emu/g、矫顽力为301.1Oe,通过AFM图显示合成的Fe3O4为长500nm、宽100nm的棒状。通过不同方案对金刚石微粉表面进行了羟基化、羧基化改性研究。结果表明,金刚石微粉在强氧化性混合酸(浓硫酸和浓硝酸)的介质中微沸状态下处理10min后,表面带有明显的羟基和羧基基团。在此基础上,以改性后的金刚石微粉为核材,以Fe2+盐为铁源,水合肼为沉淀剂和形貌控制剂,调节至最佳反应条件,研制了一种金刚石/Fe3O4磁性聚集磨料。结果表明:金刚石微粉含量为9.4wt%时,产品饱和磁化强度达到60.8emu/g接近同等工艺制备的纯相Fe3O4数值(66.3emu/g)。以金刚石/Fe3O4磁性聚集磨料作为抛光磨料,制备了水基磁流变抛光液。探讨磁流变抛光液中磁性颗粒含量、触变剂含量及磁流变抛光液的pH对磁流变抛光液性能的影响。通过分析磁流变抛光抛光液中磁性颗粒含量与沉降时间、沉降率的关系,研究磁流变抛光液的悬浮稳定性;通过研究不同磁场强度下磁流变抛光液粘度与转子转速的关系等,确定了磁流变抛光液的最佳工艺参数:磁性颗粒含量为50wt%、触变剂含量为2wt%、体系pH为10。实验室自主搭建了磁流变抛光装置,分别以Fe3O4与金刚石微粉机械混合的颗粒和以金刚石/Fe3O4磁性聚集磨料为原料制备磁流变抛光液,对K9玻璃进行了磁流变抛光试验。结果表明,以金刚石/Fe3O4磁性聚集磨料制备出的磁流变抛光液抛光后材料去除速率(98nm/min),与传统磁流变抛光液抛光后材料去除速率(39nm/min)相比,抛光速率提高2.5倍。
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