二氧化鈰作為玻璃材料常用的拋光粉，不僅硬度適中（莫氏硬度為7），而且具有較強(qiáng)的化學(xué)活性，容易發(fā)生鈰的價(jià)態(tài)變化，因此以其為主要成分的稀土拋光液具有拋光耗時(shí)短、拋光精度高、使用壽命長、工作環(huán)境清潔等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)完全取代了過去使用的氧化鐵，成為目前玻璃加工中應(yīng)用最廣泛、效率最佳的拋光材料，被廣泛應(yīng)用于手機(jī)屏幕、光學(xué)玻璃、液晶顯示器和硬盤等產(chǎn)品的精密拋光中。不過，近年來隨著我國稀土拋光粉應(yīng)用從普通玻璃制造行業(yè)向光電子顯示行業(yè)轉(zhuǎn)換和推進(jìn)，高品質(zhì)氧化鈰稀土拋光材料的研究與開發(fā)成為了行業(yè)的迫切需求。

氧化鈰拋光液應(yīng)用——LED光電玻璃透明顯示屏（來源：上海邦利維光電科技有限公司）

氧化鈰拋光液的拋光機(jī)理

目前，最受認(rèn)可的氧化鈰拋光液拋光玻璃的機(jī)制是由Cook提出的化學(xué)成鍵拋光機(jī)理，可看作是物理拋光與化學(xué)拋光的共同作用：壓力作用下，水分子使SiO₂晶片表面羥基化，CeO₂首先與SiO₂生成Ce-O-Si鍵，由于玻璃表面易水解，繼而形成Ce-O-Si(OH)鍵，隨后，CeO₂與拋光平臺(tái)之間產(chǎn)生的機(jī)械力促使Si-O-Si鍵斷裂，SiO₂以Si(OH)的形式隨CeO₂拋去，并暴露出新的被拋光面。如此反復(fù)，最終獲得高平整度的表面。

氧化鈰化學(xué)機(jī)械拋光機(jī)理

另外，CeO₂的氧化還原反應(yīng)也會(huì)使硅酸鹽晶格破壞，通過化學(xué)吸附作用，使玻璃表面與拋光劑接觸的物質(zhì)包括玻璃及水解化合物被氧化或者形成Si－O－Ce鍵，并在此基礎(chǔ)上通過拋光粉的機(jī)械磨削作用而被去除，從而露出新的玻璃表面，為進(jìn)一步拋光創(chuàng)造條件。

高品質(zhì)氧化鈰拋光液生產(chǎn)要點(diǎn)

根據(jù)氧化鈰拋光液拋光機(jī)理，如果拋光過程中，拋光液的化學(xué)作用大于物理作用，就會(huì)出現(xiàn)腐蝕坑點(diǎn)；物理作用大于化學(xué)作用會(huì)產(chǎn)生劃傷，只有當(dāng)二者接近平衡的時(shí)候才能獲得較好的表面質(zhì)量。因此拋光液中成分、二氧化鈰粒度分布、物相結(jié)構(gòu)及微觀形貌等對(duì)于拋光效果有重要影響。

1.拋光粉的制備

氧化鈰是氧化鈰拋光液中起拋光作用的主要成分，其本身的粒度、結(jié)晶形狀與形貌等理化性能直接決定了拋光后的表面質(zhì)量。

來源：玖研科技(上海)有限公司

（1）粒度：

隨著玻璃制備工藝以及CNC加工設(shè)備的發(fā)展，玻璃加工對(duì)減薄的需求越來越低，對(duì)表面質(zhì)量的要求越來越高，而用于精密拋光的高端稀土拋光粉的粒度控制要從最大粒度、中間粒度D50和粒度分布來綜合考慮。

在平均粒徑上，通常拋光粉的平均粒徑越大，研磨速度也就越高，但也更容易發(fā)生劃傷。相反，拋光粉的平均粒徑較小，從而減少了磨量，降低研磨速度，但也提高了拋光對(duì)象的表面光滑度，粒徑在納米尺度。而在粒徑分布的控制上，對(duì)于粒徑分布范圍較窄、D50較小的氧化鈰拋光粉，由于過粗或過細(xì)的顆粒比較少，每個(gè)顆粒在拋光過程中對(duì)工件表面的作用力更加一致，可以實(shí)現(xiàn)更均勻的磨損。目前應(yīng)用于拋光利于的氧化鈰粒徑證逐漸由微米級(jí)向亞微米級(jí)、納米級(jí)過渡。

（2）形貌、晶型

適用于高精密拋光的氧化鈰粉一般為具有特殊4f電子層結(jié)構(gòu)且形貌為球形的面心立方螢石結(jié)構(gòu)氧化鈰，這種結(jié)構(gòu)的氧化鈰由于外層電子非常不穩(wěn)定，鈰離子容易在Ce⁴⁺和Ce³⁺兩個(gè)離子態(tài)之間轉(zhuǎn)換，表現(xiàn)出非常好的還原/氧化性，因此材料去除速率較高，化學(xué)活性較高，材料選擇性高，且工件表面劃痕很少，很適合高質(zhì)量表面的精細(xì)拋光。除此之外，由于接觸形式的不同，形貌為球形的CeO₂粒子具有光滑的表面，其拋光的磨損機(jī)理為微磨粒磨損，能夠產(chǎn)生更好的拋光效果，而棱角鋒利、邊緣清晰的不規(guī)則CeO₂粒子則容易對(duì)表面造成損傷。

（a）CeO₂的理想晶體結(jié)構(gòu)，（b）一個(gè)氧空位伴隨兩個(gè)Ce³⁺生成物存在時(shí)CeO₂的晶體結(jié)構(gòu)

（3）純度

氧化鈰拋光粉中除了包含主要成分CeO₂，另外含有少量其他稀土氧化物(如La₂O₃、Pr₆O₁₁、Nd₂O₃等)及添加元素F、S等。通常認(rèn)為拋光材料中CeO₂的含量越高，拋光效率也就越高，使用壽命也會(huì)越長，目前一般把氧化鈰含量大于80%、稀土氧化物含量超過99%的拋光粉稱為高鈰拋光粉，由于拋光精度高、顆粒大小均勻、拋光時(shí)間長，常用于精密儀器、半導(dǎo)體元件等高要求產(chǎn)品的拋光。

不過在實(shí)際應(yīng)用中，少量的其他元素?fù)诫s也能促進(jìn)拋光效果提升，比如，摻雜含量不超過6%的F元素就能夠促進(jìn)拋光粉晶體的晶化，穩(wěn)定晶體顆粒尺寸，同時(shí)提高化學(xué)腐蝕作用，提升拋光速度。而鑭元素則能夠與氟元素相結(jié)合生成氟氧化鑭鈰相，使氟穩(wěn)定的存在粉體中。

目前用于拋光用的氧化飾粉體材料一般都是采用普通的液相沉淀工藝制成前驅(qū)體，再通過高溫煅燒分解、機(jī)械研磨制得，這種顆粒的缺陷是粒度分布寬，形貌不規(guī)則，這些都對(duì)拋光質(zhì)量造成不良的影響，使表面劃傷嚴(yán)重，難以滿足高端拋光的要求。 而利用水熱法在高溫高壓下在額能夠合成的純度高雜質(zhì)少、晶型及形貌可控，同時(shí)粒度小、粒徑分布均勻的CeO2拋光粉，具有廣闊的應(yīng)用前景。

2.高穩(wěn)定性拋光液的配置

目前用于高精密拋光的氧化鈰粒度逐漸向亞微米級(jí)、納米級(jí)發(fā)展，加上粉體有一定的化學(xué)活性，使得拋光粉在使用過程中發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象，容易導(dǎo)致工件劃傷，因此提升其懸浮性能，降低沉降速度也是配置高性能氧化鈰拋光液的關(guān)鍵。

（1）PH值

漿料的pH不僅影響著拋光粒子表面的物化性質(zhì)，也影響著工件表面的腐蝕情況以及工件表面的帶電狀況。稀土拋光粉粉體中含有小于0.1μm的顆粒，為膠體粒子，該種粒子帶負(fù)電，根據(jù)雙電層理論，帶電粒子在溶液中吸附電性相反粒子形成雙電層。

雙電層理論（來源：珠海歐美克儀器）

由于氧化鈰膠體粒子的等電位點(diǎn)的pH6.5～7.5之間，當(dāng)體系的pH大于7.5或小于6.5時(shí)，隨著堿性或酸性的增加，其雙電層滑動(dòng)面的電位即ZETA電位絕對(duì)值都會(huì)逐漸增大，此時(shí)懸浮物粒子異種電荷主要集中在擴(kuò)散層中導(dǎo)致粒子間的排斥力越強(qiáng)，越不易沉降，不過由于在強(qiáng)堿性或者強(qiáng)酸條件下，拋光液會(huì)對(duì)拋光機(jī)器產(chǎn)生一定的腐蝕，并且也會(huì)使玻璃表面產(chǎn)生桔皮現(xiàn)象，因此，在光學(xué)玻璃的拋光中，一般是選擇pH=7-9的弱堿條件下進(jìn)行拋光。

（2）表面活性劑

根據(jù)溶膠穩(wěn)定性理論（DLVO）學(xué)說，體系內(nèi)的膠團(tuán)之間有斥力勢(shì)能與引力勢(shì)能，添加表面活性劑會(huì)改變體系里的斥力勢(shì)能，因此選取合適的活性劑可以獲得分散相對(duì)穩(wěn)定的體系。比如有些活性劑具有高分子鏈，可以在溶液中就會(huì)將顆粒包裹起來，產(chǎn)生空間位阻來阻礙顆粒間的靠近。而有些表面活性劑還可以讓顆粒吸附高分子電解質(zhì)，改變顆粒表面雙電層的斥力同時(shí)產(chǎn)生空間位阻。

空間位阻理論

表面活性劑的選擇在很大程度上取決于固有的溶液性質(zhì)，目前常用的分散劑包括陰離子型（六偏磷酸鈉、聚丙烯酸、十二烷基硫酸鈉、聚丙烯酰胺、羧甲基纖維素）、陽離子型（三乙醇胺、氮氯十二烷基吡啶）和非離子型（聚乙二醇）。

（3）電解質(zhì)

在拋光材料的實(shí)際應(yīng)用過程中，由于成本原因，很少有使用純水配置拋光漿料的，但自來水中的鈣、鎂粒子極易對(duì)表面活性劑造成干擾，比如離子型表面活性劑形成的雙電層厚度就會(huì)隨溶液離子強(qiáng)度增加而下降，使得靜電斥力下降，加快沉降速度，因此要配置高懸浮性的氧化鈰拋光液，有必要添加EDTA四鈉等絡(luò)合劑絡(luò)合水中的鈣、鎂離子等雜質(zhì)。

（4）粘度

根據(jù)stockes沉速公式，顆粒的沉降速度與體系的黏度成反比，降低沉降速度可用增加體系黏度的方法，引入增稠劑。增稠劑一般分為有機(jī)和無機(jī)兩種，無機(jī)增稠劑如無機(jī)凝膠，改性膨潤土等；有機(jī)增稠劑如纖維素醚、聚乙烯醇等。不過在拋光過程中引入過多的有機(jī)物會(huì)降低拋光速度，所以一般選擇黏度為1000～1200cps即可達(dá)到降低沉淀速度的目的。

其實(shí)，為了保證氧化鈰拋光液的實(shí)際應(yīng)用效果，不僅需要保持優(yōu)異的穩(wěn)定性能外，還需要合理配置氧化鈰粉的含量以及添加適量的氧化劑等，以提升拋光效果和拋光速率。

小結(jié)

近年來我國稀土拋光粉應(yīng)用從普通玻璃制造行業(yè)向光電子顯示行業(yè)轉(zhuǎn)換和推進(jìn)，而要想在高速發(fā)展的光電顯示行業(yè)中謀求發(fā)展，我國在納米CeO_２粉體材料批量化合成工藝方面的研究急需提升，后續(xù)髙性能CMP拋光液的研制（如穩(wěn)定性能提升等）也需要加強(qiáng)，更重要的是CeO_２拋光液生產(chǎn)公司不能盲目追求的性能指標(biāo)，而應(yīng)與應(yīng)用的公司形成產(chǎn)業(yè)鏈，避免上下游脫節(jié)，滿足下游應(yīng)用產(chǎn)業(yè)實(shí)際需要。

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