光滑平面的加工方法

志勰

利用液体表面分子原子的张力、离子填补处理加工高光滑度平面的方法。


    在通常采用的对平面的加工方法中,采用研磨的方法达到确定的表面平整精度后,采用研磨的方法通常很难再进一步的提升了。一种光滑的平面不但在日常生活中有很重要的应用价值,在工业应用中和科研中也有很重要的价值。

    要得到一个光滑平面除了采用研磨的方法之外,还可以根据物质的物理属性来进行加工,本文主要是讨论这方面的方法。

一、具有气态、液态、和固态标准物质属性物质的加工方法——冷凝的方法

   1、材料属性

    一般的物质都具有气态、液态和固态三种物质形态,但少数情况例外,比如碘,不具有液态。这样的物质不适合采用本文提到的加工方法。

    在相同的温度下,液态的物质分子(原子)之间都存在一定的相互作用,如果物质的纯度较高,那么这种物质分子(原子)之间的相互作用一定是均匀的。另一方面,液体必然要装在一种容器中,液体和容器的接触面上,分子(原子)之间的作用属性也是均匀的,但可以肯定,液体和容器之间的作用属性和液体分子之间的分子属性是不同的。我们知道,根据液体和容器的性质可以划分成两种,一种是侵润体,另一种是非侵润体。这是由于液体和容器壁不同的作用属性所形成。

ghpmjgff-1.gif (1795 字节)ghpmjgff-2.gif (1665 字节)

    如图,在容器盛装液体时,非侵润体表现为左图,比如玻璃和水银。侵润体表现为右图,比如玻璃和水。液面突出容器和凹进容器,形成凸面和凹面的另一个作用则是液体的表面张力。在相同的容器液面中,只要我们选择液体分子(原子)和容器壁的作用性质是相类似的性质,作用属性区别不大的物质和材料,那么可以降低突起和凹下去的高度,使液面趋于平面。另一种方法是增大盛装液体器皿的面积。也同样使液面趋向于平面。

  材料的分子属性和平面的光滑度有一定的关系,如果材料分子的性能是均匀的,那么液体的表面张力自然会是均匀的。这样会有助于液体表面有较高的光滑度。

    我们虽然得到的光滑的液体表面不等于冷凝后的固体也是同样的平面,这是因为热胀冷缩、散热方法和空气的原因。那么怎么才能在冷却成固体后仍然具有光滑平面的特征呢?

2、冷却的方法和材料属性的关系

   (一)常规冷却

        一般的物质材料都具有热胀冷缩的特征,并且材料冷却过程中冷却的速率完全依赖于材料和外界的热量交换,那么上图中容器中的液体散热的过程也主要依赖于容器和容器上方的空气。

   温差是另一个决定散热速率的因素,温差越大,单位时间的散发的热量也越大。容器中心的液体和容器相接处的液体的温度梯度也越大。同时,液体从中心到容器壁的分布会由小到大得分布。如果我们采用温差较大的散热方法散热,通常液面凝固后会形成如下的形状。如图:

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    冷凝的固体表面以液体中心到容器壁为中心对称的波浪形状。中心的位置最低,并且存在一个凸起。(我的图画的不标准,大概是那么个意思就行了),忽略掉波浪的形状,整体上是一个锅形的形状。可以看作一个大凹坑吧。

    产生如上的形状,液体的温度必须远大于凝固点,并且散热的温差较大。

    大概过程是这样当容器外壁快速冷却的时候,和容器壁相接处的液体发生热交换,和容器壁接触的液体会以最初始液面高度进行凝固,由于液体温度在逐渐得降低,液体由于冷缩的关系,体积变小,整个液面下移。同时散热速率进一步降低。当液体的温度到达凝固点附近的时候,液体的体积变化已经很小,因此固定在一个确定的位置,形成在凝固后一个类似于波峰的位置。最后的温度则是缓慢的降低,凝固的速度也是越来越缓慢,散热速率接近一个常数。由于液体在温度降低的过程中存在对流,那么中心的液面要略高一些。溶液中的液体在凝固后最终形成近似于图中所画的形状。由于降温条件的不同,液体物质的性质不同,因此只是近似的。此外,空气的流动也会提供一定的贡献,其贡献是在液体中心形成较小的气压,在液体边缘形成较大的气压。

    (二)形成光滑平面的冷却方法

    针对上述的过程,如果要使液体冷却成光滑的平面,那么需要对如下的几个环节修正:

    第一、尽量降低冷却温差,即:容器和外部的温差较小。这样也可以降低液体对流的影响。

    第二、冷却的环节应该采用略凝固点的温度。即:首先让液体的温度降到凝固点的上方,略大于凝固点,不能使液体凝固。然后再将凝固点的温度降低到凝固点的略下方。温差越小,其平面精确越高。

    第三、降低空气的影响。可以将容器中的空气抽成真空。对于温度较高的空气,这一点是很容易的。抽成真空可以起到两方面的作用,一是降低空气分子对液面气压作用,是平面更为平整。二是减少空气分子对液面的碰撞,这样会提高液面(凝固后的物体表面)的光滑度。

    第四、在液体凝固成固体后,继续冷却热胀冷缩所产生的应力的处理。

         可以采用和液体分子属性相近的物质材料(侵润和非侵润所形成的液面高度较小的材料),并且这种材料的力学属性要远小于液体物质的力学属性(比如硬度、强度)和容器分隔开。这样在冷却的过程中,液体的热胀冷缩所形成的力学属性会直接作用于这种材料,而不是坚固的容器。会降低热胀冷缩所产生的应力的影响。

    此外,液体的纯度要高,会使固体表面形成比较好的光滑度。

二、离子填补处理法

1、 原理:普通的平面是凸凹不平,即使经过精密加工过的物体表面也存在凸凹不平。当我们给这些凸凹不平的表面施加一个静电场,比如负电场或者正电场,然后我们采用正离子或者负离子对平面进行轰击。由于凸起的物体表面上的电场强度较大,它会对同类的离子产生排斥力。而凹下去的表面所提供的电场强度较小,很自然的,负离子或者正离子会轰击到凹坑上,进行填补。如果物体表面平整之后,那么物体表面的电场则会变得均匀,负离子或者正离子则会均匀的轰击到整个平面上。这样,就可以得到比以前的平面更为平整的平面。(轰击的离子所携带的电性和被轰击金属表面的电性是相同的)

2、 应用的范围:采用离子轰击法来进行平面处理,需要离子和物体的分子(原子)是相同的分子原子,这样才可以进行比较稳定的结合。因此本方法主要适用于金属。

3、实施的方法:

    本方法需要三个关键环节:

    第一个环节大量稳定的离子源,对这个问题除了采用蒸发的方法之外,我也不清楚还可以采用什么方法得到廉价的离子源。

    第二个环节对离子进行加速的加速系统。离子携带的能量要略大于一个量值,这个量值等于或者略大于原子的结合能和平面施加的电势能之和。

    第三个环节对离子束进行处理,使之在运动的截面上的分布是均匀的。

4、除此之外的问题

    建议在真空中进行离子轰击。

  建议对轰击后的金属表面进行致密处理。(可以采用温差较高的大分子液体冷凝处理。将轰击后的金属升温到一个较高的温度,不能是液态,必须在稳定的固态范围,放到温度较低的大分子溶液比如油中降温。)这样可以使轰击的离子和金属表面具有比较稳定的作用性能。

  提高金属表面的温度,采用正电荷轰击可以降低金属原子的结合能。但采用负离子进行轰击,会增加金属原子的结合能。建议采用试验的方法来进行确定不同方法原子结合能的大小。

 

如上两种方法,前者利用液体表面分子原子的张力,后者利用填补的方法,理论上应该可以得到比较精密光滑的平面。

(注:如上方法未经试验验证)

2002年8月23

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