本发明涉及功能化微乳液合成和超精密加工的交叉应用领域，具体涉及一种用于kdp晶体的化学抛光液、制备方法及抛光方法。
背景技术：
磷酸二氢钾(kdp)晶体是惯性约束核聚变强激光系统中的重要光学元件(光电开关和倍频转换器件)，因其软脆、易潮解、对温度变化敏感以及各向异性等特点，被公认为是极难加工的光学材料。单点金刚石飞切(spdt)作为目前kdp超精密加工最主要的技术手段，由于加工应力作用，会造成kdp表面的晶格错位，单晶结构被破坏，形成亚表面损伤层，是诱导kdp晶体激光损伤的重要原因。因此，探索飞切后kdp晶体亚表面损伤层抛光去除技术，提高其抗激光损伤性能显得尤为重要。
为了有效去除飞切后kdp晶体亚表面损伤层，相比spdt更加温和的表面抛光技术，成为目前提高kdp抗激光损伤性能的重要技术手段。磁流变抛光(mrf)和化学机械抛光(cmp)是目前最主要的两种抛光技术。mrf可有效去除飞切刀纹和小尺度波纹，提升面形精度，但是mrf中铁粉颗粒嵌入和加工应力带来的新的亚表面损伤制约了mrf进一步的工程应用。cmp技术能够有效改善表面粗糙度，去除飞切刀纹；然而cmp是一种利用加工应力的方法，仍然避免不了正向压力引起的亚表面损伤问题。更重要的是，目前用于kdp晶体抛光的抛光液以含水的抛光液为主，由于kdp晶体的溶解与再结晶是可逆的过程，表面再结晶不可避免，不利于光滑表面的形成。因此，探索新型的无水、无应力的飞切后kdp晶体表面抛光液及其相应的抛光方法，具有重要的科学研究意义和工程应用价值。
化学抛光是一种经典的无应力表面抛光技术，在融石英等光学元件的表面加工中得到了广泛的应用，能够实现表面沉积物、表面杂质和亚表面损伤层的有效去除。通过化学反应的方式进行表面抛光，在理论上能够实现不同材料表面的无应力加工目标。但是传统的化学抛光液主要采用溶液的分散形式，无法精确的对表面粗糙度进行控制，甚至会在不同程度上恶化表面粗糙度。因此，针对不同材料和不同粗糙度的表面的加工，需要设计专门的抛光液和抛光方法。然而，目前尚未有针对kdp晶体化学抛光的专用抛光液及相应的抛光方法方面的研究报道。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术难题是提供一种用于kdp晶体的化学抛光液、制备方法及抛光方法，克服传统溶液型抛光液反应可控性差和无高点选择性的缺陷和不足，在无应力的加工方式下实现kdp晶体表面去除的可控性和高点选择性，获得高表面质量的kdp晶体。
本发明通过下述技术方案实现：
第一方面，本发明提供了一种用于kdp晶体的化学抛光液，所述的抛光液为以有机酸和离子液体为内相的功能化微乳液，由植物油、有机酸、离子液体、表面活性剂和助表面活性剂组成，各组分的质量百分比为：
植物油：20％～65％；
表面活性剂：36％～56％；
助表面活性剂：9％～14％；
有机酸：0.5％～5％；
离子液体：10％～25％；
表面活性剂与助表面活性剂质量比为4:1；
有机酸与离子液体的质量比范围为：0.05～0.20。
基于传统的化学抛光液主要采用溶液的分散形式，无法精确的对表面粗糙度进行控制，甚至会在不同程度上恶化表面粗糙度。因此，针对不同材料和不同粗糙度的表面的加工，需要设计专门的抛光液和抛光方法。本发明综合考虑kdp晶体的化学反应特性和化学抛光技术的特点，设计了一种新型的油包有机酸-离子液体溶液的微乳液作为kdp晶体的抛光液。该抛光液是一种完全无水的化学抛光液，基于该种抛光液的kdp晶体化学抛光，在无应力加工的基础上，兼备了表面高点选择性，是一种更先进的抛光技术。
具体地，本发明的抛光液为以有机酸和离子液体为内相的功能化微乳液，主要成分有植物油、有机酸、离子液体、表面活性剂和助表面活性剂，其中植物油占20％～60％，有机酸占1％～5％，离子液体占10％～30％，表面活性剂占16％～48％，助表面活性剂为4％～12％。本发明以抛光界面上化学反应动力学控制为基本出发点，对活性成分有机酸的离子液体溶液进行包覆，由于微乳液中胶束粒子间不断的布朗运动和相互碰撞，有机酸的离子液体溶液在不同的胶束粒子之间不断的进行传质扩散。利用微乳液中有机酸溶液特殊的分散模式和传质状态，并结合化学抛光无应力的方法优势，实现kdp晶体表面高点的可控化学反应。本发明的一种用于kdp晶体的化学抛光液为完全无水、无颗粒型的微乳液，该微乳液在抛光过程中能够对kdp晶体表面产生可控的均匀去除，抛光后kdp晶体表面残留的有机溶液，通过采用相匹配的有机溶剂进行漂洗即可实现kdp晶体表面的清洁，不会对kdp晶体表面造成二次损伤。
进一步地，所述的植物油为蓖麻油或环氧大豆油中的一种。
进一步地，所述的表面活性剂为非离子型表面活性剂聚乙二醇辛基苯基醚(tx-100)。
进一步地，所述的助表面活性剂为正丁醇或正己醇中的一种。
进一步地，所述的有机酸为双三氟甲磺酰亚胺(tf2nh)。
进一步地，所述的离子液体为1-丁基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐([bmim][tf2n])、1-己基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐([hmim][tf2n])或1-辛基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐([omim][tf2n])中的一种。
进一步地，该抛光液为一种新型的无水微乳液，适用于单点金刚石飞切后kdp晶体表面的化学抛光。
第二方面，本发明还提供了一种所述抛光液的制备方法，该制备方法包括以下步骤：
(1)、在手套箱中，将一定质量的有机酸加入到离子液体中，待有机酸充分溶解后，将获得的有机酸溶液，记作溶液a，并从手套箱中取出备用；
(2)、将表面活性剂和助表面活性剂按照质量比为4:1充分混合并搅拌均匀，获得复配型表面活性剂，记作溶液b，备用；
(3)、将溶液b与植物油按照一定的质量比混合，200rpm下充分搅拌均匀，获得混合溶液，记作溶液c；
(4)、将一定质量的溶液a逐滴加入到装有步骤(3)溶液c的磨口三角锥烧瓶中，200rpm搅拌2h(2小时)，将三角锥烧瓶置于37khz超声波中超声30分钟，取出静置12h(12小时)，得到无水微乳液型化学抛光液。
第三方面，本发明还提供了一种所述抛光液的抛光方法，该抛光方法包括以下步骤：
1)、向聚四氟材质的抛光容器中加入所述的一种用于kdp晶体的化学抛光液；
2)、将kdp晶体用夹具装好后，将待抛光面浸入抛光液液面以下，进行化学抛光；
3)、抛光的环境温度为25℃，相对湿度为40％，抛光液温度为25℃，抛光时间为10～90分钟；
4)、抛光后采用无水乙醇、异丙醇、丙酮和正己烷依次进行漂洗，最后用高纯氮气将表面吹干，放入干燥柜中静置12小时。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明以抛光界面上化学反应动力学控制为基本出发点，对新型的kdp化学活性成分(有机酸的离子液体溶液)进行包覆，由于微乳液中胶束粒子间不断的布朗运动和相互碰撞，有机酸的离子液体溶液在不同的胶束粒子之间不断的进行传质扩散。利用微乳液中有机酸溶液这种特殊的分散模式和传质状态，并结合化学抛光无应力的方法优势，实现kdp晶体表面高点的可控化学反应。
2、本发明综合考虑kdp晶体的反应特性和化学抛光技术的特点，设计了基于一种新型的油包有机酸-离子液体溶液的微乳液的化学抛光方法，在无应力加工的基础上，兼备了表面高点选择性，是一种更先进的抛光技术。
3、本发明的一种用于kdp晶体的化学抛光液为完全无水、无颗粒型的微乳液，抛光后kdp晶体表面残留的有机溶液，通过采用相匹配的有机溶剂进行漂洗即可实现表面的清洁，不会对kdp晶体表面造成二次损伤。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的结构、电路、材料或方法。
在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。
下面结合实施例详细说明本发明。
第一方面，本发明提供了一种用于kdp晶体的化学抛光液，所述的抛光液为以有机酸和离子液体为内相的功能化微乳液，由植物油、有机酸、离子液体、表面活性剂和助表面活性剂组成，各组分的质量百分比为：
植物油：20％～65％；
表面活性剂：36％～56％；
助表面活性剂：9％～14％；
有机酸：0.5％～5％；
离子液体：10％～25％；
表面活性剂与助表面活性剂质量比为4:1；
有机酸与离子液体的质量比范围为：0.05～0.20。
进一步地，所述的植物油为蓖麻油或环氧大豆油中的一种。
进一步地，所述的表面活性剂为非离子型表面活性剂聚乙二醇辛基苯基醚(tx-100)。
进一步地，所述的助表面活性剂为正丁醇或正己醇中的一种。
进一步地，所述的有机酸为双三氟甲磺酰亚胺(tf2nh)。
进一步地，所述的离子液体为1-丁基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐([bmim][tf2n])、1-己基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐([hmim][tf2n])或1-辛基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐([omim][tf2n])中的一种。
进一步地，该抛光液为一种新型的无水微乳液，适用于单点金刚石飞切后kdp晶体表面的化学抛光。
本发明综合考虑kdp晶体的反应特性和化学抛光技术的特点，设计了一种新型的油包有机酸-离子液体溶液的微乳液。该化学抛光液是一种完全无水的化学抛光液，基于该种抛光液的kdp晶体化学抛光，在无应力加工的基础上，兼备了表面高点选择性，是一种更先进的抛光技术。具体地，本发明的抛光液为以有机酸和离子液体为内相的功能化微乳液，主要成分有植物油、有机酸、离子液体、表面活性剂和助表面活性剂，其中植物油占20％～60％，有机酸占1％～5％，离子液体占10％～30％，表面活性剂占16％～48％，助表面活性剂为4％～12％。本发明以抛光界面上化学反应动力学控制为基本出发点，对活性成分有机酸的离子液体溶液进行包覆，由于微乳液中胶束粒子间不断的布朗运动和相互碰撞，有机酸的离子液体溶液在不同的胶束粒子之间不断的进行传质扩散。利用微乳液中有机酸溶液特殊的分散模式和传质状态，并结合化学抛光无应力的方法优势，实现kdp晶体表面高点的可控化学反应。本发明的一种用于kdp晶体的化学抛光液为完全无水、无颗粒型的微乳液，该微乳液在抛光过程中能够对kdp晶体表面产生可控的均匀去除，抛光后kdp晶体表面残留的有机溶液，通过采用相匹配的有机溶剂进行漂洗即可实现kdp晶体表面的清洁，不会对kdp晶体表面造成二次损伤。
第二方面，本发明还提供了一种所述抛光液的制备方法，该制备方法包括以下步骤：
(1)、在手套箱中，将一定质量的有机酸加入到离子液体中，待有机酸充分溶解后，将获得的有机酸溶液，记作溶液a，并从手套箱中取出备用；
(2)、将表面活性剂和助表面活性剂按照质量比为4:1充分混合并搅拌均匀，获得复配型表面活性剂，记作溶液b，备用；
(3)、将溶液b与植物油按照一定的质量比混合，200rpm下充分搅拌均匀，获得混合溶液，记作溶液c；
(4)、将一定质量的溶液a逐滴加入到装有步骤(3)溶液c的磨口三角锥烧瓶中，200rpm搅拌2h(2小时)，将三角锥烧瓶置于37khz超声波中超声30分钟，取出静置12h(12小时)，得到无水微乳液型化学抛光液。
第三方面，本发明还提供了一种所述抛光液的抛光方法，该抛光方法包括以下步骤：
1)、向聚四氟材质的抛光容器中加入所述的一种用于kdp晶体的化学抛光液；
2)、将kdp晶体用夹具装好后，将待抛光面浸入抛光液液面以下，进行化学抛光；
3)、抛光的环境温度为25℃，相对湿度为40％，抛光液温度为25℃，抛光时间为10～90分钟；
4)、抛光后采用无水乙醇、异丙醇、丙酮和正己烷依次进行漂洗，最后用高纯氮气将表面吹干，放入干燥柜中静置12小时。
抛光液的制备，以植物油、有机酸、离子液体、表面活性剂和助表面活性剂的准三元相图为技术手段，通过相图绘制，获得植物油包有机酸和离子液体的单相微乳液区域。在微乳液区筛选不同配比的抛光液，利用自制的化学抛光装置进行表面加工。
实施例1
本实施例按照以下步骤实施：
(1)初始表面的获得：以单点金刚石飞切的60mm×60mm×8mm的kdp晶体为待抛光晶体，白光干涉仪测得的表面粗糙度ra为5.2。
(2)植物油包有机酸和离子液体的微乳液的制备：植物油为蓖麻油；表面活性剂为聚乙二醇辛基苯基醚(tx-100)，助表面活性剂为正己醇；有机酸为双三氟甲磺酰亚胺(tf2nh)、离子液体为[bmim]tf2n。
(3)取56.0gtx-100和14.0g正己醇，200rpm低速搅拌均匀，将其与120.0g蓖麻油充分混合搅拌均匀，得到混合溶液备用。
(4)在手套箱中，将0.1gtf2nh加入到9.9g[bmim]tf2n中，混合均匀后，从手套箱中取出，滴加到步骤(3)得到的混合溶液中，200rpm搅拌2h(2小时)后，将其置于37khz超声波中超声30分钟，取出静置12h(12小时)，获得蓖麻油：(tx-100+正己醇)：(tf2nh+[bmim]tf2n)比值为60:(28:7):(0.05：4.95)的微乳液。
(5)化学抛光实验：将抛光液装入自制的抛光装置中，放入磁力搅拌子，保持150rpm的转速；将kdp晶体用夹具装好后，将待抛光面浸入到抛光液中，盖上盖子，于20℃、相对湿度不大于40％的环境中，抛光处理30min。
(6)抛光后清洗：依次采用无水乙醇、异丙醇、正己烷作为清洗液，兆声波辅助进行抛光后的清洗，然后用洁净干燥高纯氮气吹干，最后将其放在干燥柜中静置12h(12小时)。
在该抛光条件下，抛光并完成清洗后，采用白光干涉仪对样品的表面粗糙度进行表征，表面粗糙度ra为3.6nm。
实施例2
本实施例按照以下步骤实施：
(1)初始表面的获得：以单点金刚石飞切的60mm×60mm×8mm的kdp晶体为待抛光晶体，白光干涉仪测得的表面粗糙度ra为7.2nm。
(2)植物油包有机酸和离子液体的微乳液的制备：植物油为环氧大豆油；表面活性剂为聚乙二醇辛基苯基醚(tx-100)，助表面活性剂为正丁醇；有机酸为双三氟甲磺酰亚胺(tf2nh)、离子液体为[bmim]tf2n。
(3)取56.0gtx-100和14.0g正丁醇，200rpm低速搅拌均匀，将其与120.0g环氧大豆油充分混合搅拌均匀，得到混合溶液备用。
(4)在手套箱中，将0.1gtf2nh加入到9.9g[bmim]tf2n中，混合均匀后，从手套箱中取出，滴加到步骤(3)得到的混合溶液中，200rpm搅拌2小时后，将其置于37khz超声波中超声30分钟，取出静置12小时，获得环氧大豆油：(tx-100+正丁醇)：(tf2nh+[bmim]tf2n)比值为60:(28:7):(0.05：4.95)的微乳液。
(5)化学抛光实验：采用自制化学抛光装置，将抛光液装入抛光装置中，放入磁力搅拌子，保持150rpm的转速；将kdp晶体用夹具装好后，将待抛光面浸入到抛光液中，盖上盖子，于25℃、相对湿度不大于40％的环境中，抛光处理30min。
(6)抛光后清洗：依次采用无水乙醇、异丙醇、正己烷作为清洗液，兆声波辅助进行抛光后的清洗，然后用洁净干燥空气吹干。
在该抛光条件下，抛光并完成清洗后，采用白光干涉仪对样品的表面粗糙度进行表征，表面粗糙度ra为4.7nm。
本实施例与实施例1的实施方式基本相同，主要区别在于微乳液的配方不同；在抛光过程中，抛光采用的装置、抛光方法和环境温湿度均保持不变。
其他实验结果汇总在表1至表4中。
表1.抛光液组成及抛光实验结果实施例3-8(蓖麻油体系)
表2.抛光液组成及抛光实验结果实施例9-16(环氧大豆油体系)
表3.不同离子液体抛光液组成及抛光实验结果实施例17-19(蓖麻油体系)
表4.不同离子液体抛光液组成及抛光实验结果实施例20-22(环氧大豆油体系)
由此可知，本发明的抛光液是一种新型的完全无水的微乳液，在表面活性剂和助表面活性剂的共同作用下，具有kdp化学反应活性的有机酸的离子液体溶液，作为分散相被包覆在植物油中。该微乳液对kdp晶体表面进行化学抛光时，能够实现kdp晶体表面的无应力可控化学反应去除。本发明的一种用于kdp晶体的化学抛光液，制备方法和使用方法简单、性质稳定，综合考虑了kdp晶体的反应特性和化学抛光的技术优势，即既具备了微乳液高点选择性化学反应的特性，又兼容了化学抛光的无应力加工的技术优点，能够改善kdp晶体表面质量且不引入新的应力损伤。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。