Инновационные применения и технологический прогресс диатомитовых наполнителей в производстве полирующих абразивов

Анализ характеристик диатомитового наполнителя и механизма полирования

Диатомитовый наполнитель, являясь природным, биогенным, пористым кремнистым материалом, занимает незаменимое место в современной индустрии полирующих абразивов. Этот особый наполнитель, образующийся в результате отложения древних диатомовых водорослей, состоит преимущественно из аморфного диоксида кремния (содержание SiO₂ 85–94%) и обладает уникальным сочетанием физических свойств: твёрдостью по шкале Мооса 4,5–5,5 (между кальцитом и апатитом), многоуровневой структурой пор (распределение размеров пор от нанометров до микрометров), высокой удельной поверхностью (15–60 м²/г) и превосходной химической стабильностью. Эти характеристики диатомита делают его идеальным абразивным носителем и функциональной добавкой в области прецизионной полировки.

В процессе полирования диатомитовые наполнители действуют посредством нескольких механизмов: во-первых, умеренная твёрдость частиц диатомита позволяет эффективно удалять микроскопические выступы на поверхности заготовки, не вызывая чрезмерного шлифования; во-вторых, пористая структура диатомита позволяет адсорбировать и медленно высвобождать активные ингредиенты в полировальной жидкости, поддерживая стабильную полирующую среду; в-третьих, правильная геометрическая форма скелета диатомита обеспечивает равномерное микрошлифование, что способствует получению сверхгладкой поверхности. Исследования показали, что полировальная система, содержащая диатомитовые наполнители, позволяет контролировать шероховатость поверхности (Ra) ниже 0,1 мкм, сохраняя при этом высокую скорость съёма материала (MRR).

Применение диатомитового наполнителя в различных полировальных средствах

• Диатомитовый наполнитель в твердых полирующих абразивах

В абразивных материалах на связке (таких как полировальные круги, шлифовальные камни и т.д.) диатомитовые наполнители в основном используются в качестве функциональных абразивов, а их содержание обычно составляет 15–40%. По сравнению с традиционными корундовыми или карбидокремниевыми абразивами диатомитовые наполнители обладают следующими преимуществами: более правильная форма частиц, более равномерное режущее действие; низкий коэффициент теплового расширения, хорошая термостойкость; высокая химическая инертность, отсутствие загрязнения поверхности заготовки. Экспериментальные данные показывают, что при использовании полировальных кругов с 25% диатомита для обработки поверхности нержавеющей стали достигается зеркальный эффект Ra 0,05–0,1 мкм, а срок службы инструмента увеличивается на 30%.

Применение диатомитового наполнителя в полировальных кругах на смоляной связке особенно успешно. Благодаря обработке поверхности силановым связующим, прочность связи между диатомитовым наполнителем и смоляной матрицей увеличивается более чем на 50%, что эффективно предотвращает преждевременное отслоение абразива. Полировальный круг, армированный диатомитовым наполнителем, разработанный одним из предприятий, используется для обработки оптического стекла. При сохранении той же производительности съёма уровень поверхностных дефектов снижается с 3,2% по сравнению с традиционными изделиями до менее 0,8%.

• Диатомитовые наполнители в жидких полирующих средствах

В полировальных жидкостях и шлифовальных пастах диатомитовый наполнитель выполняет следующие основные функции: как основной абразив, обеспечивающий микрорезку; как стабилизатор суспензии, предотвращающий седиментацию твёрдых компонентов; как буфер pH для поддержания стабильности системы. Диатомитовый наполнитель (D50 = 2–8 мкм), прошедший специальную обработку, может образовывать стабильную дисперсионную систему в водных или масляных средах, отвечающую различным технологическим требованиям.

Применение диатомитовых наполнителей в пульпах для химико-механического полирования (ХМП) представляет собой перспективное направление. Путем смешивания диатомитовых наполнителей с коллоидным диоксидом кремния и управления их поверхностным зарядом можно разработать специальные пульпы для полирования полупроводниковых пластин. Испытания показывают, что скорость удаления меди пульпами ХМП, содержащими диатомитовые наполнители, может достигать 300–400 нм/мин, а шероховатость поверхности (WIWNU) составляет <3%, что лучше, чем у многих чисто синтетических абразивных систем.

• Диатомитовые наполнители для специальных полирующих работ

При полировке прецизионных оптических компонентов диатомитовые наполнители могут использоваться для получения сверхгладкой поверхности после тонкой градуировки и модификации. Контролируя распределение размеров частиц диатомитовых наполнителей (например, используя частицы с узким распределением 3–5 мкм) и химические свойства поверхности, можно добиться шероховатости поверхности нанометрового уровня (Ra < 1 нм). В одном из научно-исследовательских институтов модифицированные диатомитовые наполнители использовались для полировки плавленого кварцевого стекла и достигли качества поверхности Ra 0,3 нм, что близко к атомно-плоскостному уровню.

В области полировки твердосплавных инструментов композитное использование диатомитового наполнителя и алмазного порошка стало настоящим прорывом. Диатомитовый наполнитель, выступая в качестве вторичного абразива, не только усиливает режущую способность алмаза, но и предотвращает чрезмерное агрегирование алмазных частиц. Эта композитная система полировки снижает шероховатость кромки твердосплавных инструментов с Ra 0,2 мкм до 0,05 мкм, а срок службы инструмента соответственно увеличивается более чем на 40%.

Технологические инновации и оптимизация характеристик диатомитовых наполнителей

• Технология модификации поверхности

Для повышения эффективности использования диатомитовых наполнителей в системах полирования в отрасли был разработан ряд технологий модификации поверхности:

1. Обработка силановым связующим агентом: использование силановых связующих агентов, таких как KH-550, для улучшения связи между диатомитовым наполнителем и органической матрицей. Дисперсность обработанного наполнителя в смоле увеличивается на 60%.

2. Ионная модификация поверхности: регулируйте поверхностный потенциал наполнителя диатомита путем его модификации ионами металлов, такими как Al³⁺ и Ce³⁺, для повышения его стабильности в полирующей жидкости;

3. Прививка полимеров: прививка полимерных цепей, таких как ПЭГ и ПВП, на поверхность наполнителя из диатомита для достижения «умного» высвобождения абразивов.

• Технология структурного контроля

Оптимизация микроструктуры диатомитовых наполнителей физико-химическими методами:

- Кислотная активация: обработка соляной или серной кислотой для удаления примесей и увеличения удельной поверхности (до 80 м²/г);

- Контроль процесса прокалки: прокалка при температуре 600-900 ℃ для регулирования структуры пор и поверхностной гидроксильной плотности;

- Технология классификации: для получения частиц наполнителя на основе диатомита с узким распределением используется классификация потоком воздуха или мокрая классификация.

• Технология композитной арматуры

Смешивание наполнителя на основе диатомита с другими функциональными материалами:

Композит с наноматериалами: такими как структура «ядро-оболочка» диатомита SiO₂ для улучшения однородности полировки;

Композит с углеродными материалами: такими как модифицированный графеном наполнитель из диатомита для повышения теплопроводности;

Композит с редкоземельными элементами: например, CeO₂ с наполнителем из диатомита, используется для точной полировки стекла.

Эксплуатационные испытания показывают, что оптимизированный диатомитовый наполнитель способен повысить эффективность полирования на 20–40% и улучшить качество поверхности более чем на один класс. Например, при полировании сапфировых подложек скорость съема материала модифицированным диатомитовым наполнителем может достигать 1,2 мкм/ч, при этом шероховатость поверхности остается ниже среднеквадратичного отклонения 0,2 нм.

Варианты использования и оценка эффекта

• Корпус для полировки оптических компонентов

Производитель оптических устройств использовал полировальную жидкость на основе наполнителя из диатомита для замены традиционной полировальной жидкости на основе оксида церия и добился замечательных результатов при полировке стекла модуля камеры:

- Шероховатость поверхности снижена с Ra 0,8 нм до 0,5 нм;

- Расход полировальной жидкости снижен на 45%;

- Улучшается чистота поверхности обрабатываемой детали, а время очистки сокращается на 30%;

- Значение ХПК отработанной жидкости после полировки снижается на 60%, что упрощает ее утилизацию.

• Металлический корпус для прецизионной полировки

При хонинговании блоков двигателей автомобилей хорошо себя зарекомендовали хонинговальные бруски с наполнителем из диатомита:

- Шероховатость поверхности Ra стабильна в диапазоне 0,1-0,2мкм;

- Износ масляного камня снижается на 35%, а срок службы увеличивается;

- Отклонение от круглости цилиндра контролируется в пределах 2мкм;

- Повышение эффективности производственной линии на 20%.

• Корпус для полировки полупроводниковых материалов

Полировальные круги с диатомитовым наполнителем для полировки кромок пластин обладают уникальными преимуществами:

- Дефекты обрушения кромок снижены более чем на 90%;

- Концентрация металлических загрязнений на поверхности после полировки <5×10¹⁰ атомов/см²;

- Один полировальный круг может обрабатывать 3000–4000 кремниевых пластин;

- Затраты на комплексную обработку снизились на 25%.

Данные сравнения производительности

По сравнению с традиционными полирующими материалами наполнители на основе диатомита демонстрируют хорошие результаты по нескольким показателям:

| Индекс эффективности | Продукция на основе диатомита | Традиционные продукты |

| Шероховатость поверхности (Ra) | 0,05–0,1 мкм | 0,1–0,3 мкм |

| Скорость съема материала | От средней до высокой | Сильно различается в зависимости от типа |

| Термическая стабильность | Отличная (>800℃) | Средняя (<400℃) |

| Экологичность | Нетоксично и разлагаемо | Частично токсично |

| Экономическая эффективность| Высокая| Средняя |

Тенденции и проблемы развития отрасли

• Тенденции развития технологий

1. Наноприменение: Разработка нанодиатомитовых наполнителей (100-500 нм) для сверхточной полировки;

2. Функциональное компаундирование: придание диатомитовым наполнителям дополнительных функций, таких как каталитические и антибактериальные свойства;

3. Интеллектуальный ответ: исследование системы полировки наполнителя на основе диатомита, чувствительного к pH/температуре;

4. Экологичное производство: Оптимизация технологии переработки диатомитового наполнителя и снижение энергопотребления более чем на 30%.

• Перспективы развития рынка

Ожидается, что мировой рынок полирующих материалов к 2025 году достигнет 8,5 млрд долларов США, а годовой темп роста составит около 6,2%. Ожидается, что доля рынка диатомитовых наполнителей увеличится с текущих 12% до 20% благодаря их эксплуатационным преимуществам и экологичности. В частности, существует значительный потенциал роста в следующих областях:

- Производство полупроводников (применение ХМП);

- Прецизионная обработка деталей новых энергетических транспортных средств;

- Производство высокотехнологичных оптических приборов;

- 3С обработка оболочки изделия.

• Технические проблемы, с которыми пришлось столкнуться

1. Контроль размера частиц: как добиться более узкого распределения размера частиц наполнителя на основе диатомита;

2. Повышение стабильности: методы поддержания стабильной производительности при высокоскоростной полировке;

3. Стандартизация конструкции: создание единой системы оценки эффективности полировки диатомитового наполнителя;

4. Использование ресурсов: повышение ценности низкосортного диатомита при полировке.

В связи с постоянным совершенствованием требований к обработке поверхностей и всесторонним продвижением экологичного производства, значение диатомитовых наполнителей в производстве полировального абразива будет продолжать расти. Благодаря междисциплинарным технологическим инновациям и сотрудничеству в производственной цепочке, диатомитовые наполнители, как ожидается, станут основным компонентом следующего поколения высокопроизводительных полировальных материалов, обеспечивая более эффективные, точные и экологически безопасные решения для прецизионного производства. Ожидается, что в ближайшие пять лет мировой спрос на диатомитовые наполнители для полирования будет расти в среднем на 8-10% в год, а технологический прогресс будет способствовать их расширению в более сложные области применения.