含鈷摻雜二氧化硅納米復(fù)合磨粒溶膠、拋光液及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種含鈷摻雜二氧化硅納米復(fù)合磨粒溶膠、拋光液及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 藍(lán)寶石單晶即三氧化二鋁單晶，綜合了優(yōu)良的機(jī)械、光學(xué)、化學(xué)、電學(xué)以及抗輻射 性能，已廣泛應(yīng)用于耐高溫高壓器件、光學(xué)系統(tǒng)、特種窗口、耐磨損器件、紅外制導(dǎo)、導(dǎo)彈整 流罩等民用、軍事、科研高科技領(lǐng)域。尤為重要的是單晶藍(lán)寶石C(0001)面因?yàn)榕c半導(dǎo)體 GaN的晶格系數(shù)失配率較小、機(jī)械強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)勢成為發(fā)光二極管的主要襯底材 料。LED行業(yè)的迅猛發(fā)展對(duì)藍(lán)寶石襯底表面的光滑度提出了新的要求，但單晶藍(lán)寶石因?yàn)槠?硬度高，化學(xué)穩(wěn)定性好等特點(diǎn)對(duì)精密拋光提出了新的挑戰(zhàn)。
[0003]目前應(yīng)用于單晶藍(lán)寶石拋光的方法有很多，這些拋光主要以化學(xué)和機(jī)械作用將晶 片表面材料去除，以獲得光潔無晶格缺陷的表面，在這些加工方法中有的以機(jī)械作用為主， 如機(jī)械拋光、液體噴射拋光；有的以化學(xué)作用為主，如化學(xué)拋光、水合拋光；或化學(xué)機(jī)械相 平衡起作用，如化學(xué)機(jī)械拋光（CMP)。其中化學(xué)機(jī)械拋光是公認(rèn)的唯一一種可以取得全局拋 光效果的拋光方法，并且因?yàn)槿テ涑俾士?、成本低的?yōu)勢廣泛應(yīng)用于藍(lán)寶石最終的精密 拋光中。目前在藍(lán)寶石拋光的實(shí)際應(yīng)用中，通常采用二氧化硅、氧化鋁等傳統(tǒng)無機(jī)磨粒，其 對(duì)藍(lán)寶石的拋光速率和表面粗糙度上已不能很好的滿足工業(yè)需求。已報(bào)道的復(fù)合磨粒也都 大多是通過高溫煅燒再溶解之后得到復(fù)合氧化物磨粒，而在煅燒過程中顆粒的團(tuán)聚會(huì)增大 拋光基片的表面粗糙度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的發(fā)明目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，提供一種含鈷摻雜二氧化硅納 米復(fù)合磨粒、拋光液及其制備方法。
[0005]本發(fā)明的含鈷摻雜二氧化硅納米復(fù)合磨粒溶膠，由質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為0.43wt%的硝酸 鈷溶液和2. 5wt%的硅酸溶液按1:1的質(zhì)量比，同時(shí)加入1wt%氫氧化鈉，通過共沉淀法沉 淀在二氧化硅晶種上反應(yīng)制成，所述的溶膠中的納米復(fù)合磨粒呈均勻球形，所述的鈷摻雜 二氧化硅納米復(fù)合磨粒溶膠中的氫氧化鈷摻雜量為〇. 1wt%_5wt%。溶膠體系穩(wěn)定，可以穩(wěn) 定存放六個(gè)月以上。
[0006] 優(yōu)選地， 所述的溶膠中的氫氧化鈷摻雜量為〇. 5-1. 5wt%。
[0007]所述的溶膠中納米復(fù)合磨粒的粒徑為20-150納米。
[0008] 優(yōu)選地， 所述的溶膠中納米復(fù)合磨粒的粒徑為106-123納米。
[0009]所述的含鈷摻雜二氧化硅納米復(fù)合磨粒溶膠的制備方法如下：先用陽離子交換法 制備pH值為2. 5、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2. 5 %的硅酸。在100 °C和攪拌條件下，硅酸、0. 43wt%的硝 酸鈷溶液和1Wt%氫氧化鈉分別加入二氧化硅晶種中進(jìn)行生長，氫氧化鈉控制整個(gè)溶膠體 系pH值保持在10,控制硝酸鈷和硅酸混合物的滴加速度保持溶膠體系中蒸發(fā)速度和滴加 速度相平衡。
[0010] 優(yōu)選地， 所述的摻雜反應(yīng)時(shí)間為140分鐘-420分鐘。通過控制摻雜反應(yīng)時(shí)間，可制得不同鈷摻 雜量的二氧化硅納米復(fù)合磨粒溶膠體系。
[0011] 一種拋光液組合物，組成及各成分質(zhì)量百分含量如下： 含鈷摻雜二氧化硅納米復(fù)合磨粒溶膠 10-20% 分散劑焦磷酸鈉 0. 2-3% 表面活性劑十二烷基聚氧乙烯醚 0.01-1%， 水 余量； 以上各組成的質(zhì)量百分含量之和為100%。
[0012] 優(yōu)選地， 所述的拋光液組合物，組成及各成分質(zhì)量百分含量如下： 含鈷摻雜二氧化硅納米復(fù)合磨粒溶膠 10% 分散劑焦磷酸鈉 1% 表面活性劑十二烷基聚氧乙烯醚 0.5%， 水 余量； 以上各組成的質(zhì)量百分含量之和為100%。
[0013] 本發(fā)明的含鈷摻雜二氧化硅納米復(fù)合磨粒溶膠中的納米復(fù)合磨粒的結(jié)構(gòu)為內(nèi)部 為純的二氧化硅晶種，外層長大的部分為氫氧化鈷和二氧化硅摻雜在一起的部分。外層氫 氧化鈷和藍(lán)寶石表層的氧化鋁發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而提高對(duì)藍(lán)寶石的去除率。同時(shí)氫氧化鈷 硬度比二氧化硅小，可以降低對(duì)藍(lán)寶石表面的磨損，降低表面粗糙度。這樣設(shè)計(jì)的磨粒可同 時(shí)達(dá)到"高速率、低粗糙度"拋光的目的。采用本發(fā)明提供的拋光液對(duì)藍(lán)寶石基片進(jìn)行拋光， 可以有效地提高藍(lán)寶石表面去除率，降低藍(lán)寶石表面的粗糙度。
【具體實(shí)施方式】
[0014] 下面用一些實(shí)例對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方案作進(jìn)一步說明，但本發(fā)明不受這些具體實(shí)施 例的限制。
[0015] 實(shí)施例1 本實(shí)施例的含鈷摻雜二氧化硅納米復(fù)合磨粒溶膠采用共沉淀法制備。制備過程為：先 用陽離子交換法制備pH值為2. 5,然后2.5wt%的硅酸、0.43wt%的Co(N03) 2 *61120溶 液以等質(zhì)量比，在100 °C攪拌條件下，和1wt%氫氧化鈉一起分別加入二氧化硅晶種中。氫 氧化鈉控制整個(gè)溶膠體系pH值保持在10,控制硝酸鈷和硅酸混合物的滴加速度保持溶膠 體系中蒸發(fā)速度和滴加速度相平衡。分別滴加140分鐘，280分鐘，420分鐘，制得氫氧化鈷 摻雜量為〇. 5wt%，1. 0wt%，1. 5wt%的含鈷摻雜二氧化硅納米復(fù)合磨粒溶膠。
[0016] 實(shí)施例2 將氫氧化鈷摻雜量為0.5wt%的溶膠加去離子水稀釋到3L，固含量為10 %。鈷摻雜 二氧化硅的復(fù)合磨粒粒徑為106納米，溶膠最終pH值為10。用350目的濾篩過濾之后，加 入1%分散劑焦磷酸鈉、0. 5%表面活性劑十二烷基聚氧乙烯醚，得拋光液。
[0017] 實(shí)施例3 氫氧化鈷摻雜量為1.0Wt%的溶膠加去離子水稀釋到3L，固含量為10 %。鈷摻雜二 氧化硅的復(fù)合磨粒粒徑為110納米，溶膠最終pH值為10。用350目的濾篩過濾之后，加入 1%分散劑焦磷酸鈉、0. 5%表面活性劑十二烷基聚氧乙烯醚，得拋光液。
[0018] 實(shí)施例4 氫氧化鈷摻雜量為1.5wt%的溶膠加去尚子水稀釋到3L，固含量為10 %。鈷摻雜二 氧化硅的復(fù)合磨粒粒徑為123納米，溶膠最終pH值為10. 5。用350目的濾篩過濾之后，加 入1%分散劑焦磷酸鈉、0. 5%表面活性劑十二烷基聚氧乙烯醚，得拋光液。
[0019] 對(duì)照例1 未摻雜的純硅溶膠加去離子水稀釋到3L，固含量為10 %，二氧化硅顆粒為95納米，稀 釋后pH值為10。用350目的濾篩過濾之后，加入1%分散劑焦磷酸鈉、0. 5%表面活性劑十二 烷基聚氧乙烯醚，得拋光液。
[0020] 拋光試驗(yàn)：使用上述各拋光液在一定拋光條件下對(duì)藍(lán)寶石基片進(jìn)行拋光試驗(yàn)。拋 光條件如下： 拋光機(jī)：UNIP0L-1502單面拋光機(jī) 工件：直徑為50. 8mm的藍(lán)寶石c(0001)面 拋光墊：聚氨酯材料、R0DEL生產(chǎn) 拋光壓力：6公斤 下盤轉(zhuǎn)速：60rpm 拋光時(shí)間：120分鐘 拋光后，接著洗滌和干燥基片，然后測量基片的表面形貌特征。表面平均粗糙度（Ra)用AmbiosXI-100表面形貌儀測試，其分辨力為0. 1埃。測試范圍為93. 5iinT93. 5iim?；?重量用分析天平稱量，拋光前后重量差除以拋光時(shí)間為拋光速率。
[0021] 各實(shí)施例拋光液的拋光效果分別見表1。可見，與對(duì)照例1 (純硅溶膠)相比，含有 鈷摻復(fù)合磨粒的溶膠(實(shí)施例1、2、3)對(duì)藍(lán)寶石基片拋光之后，均提高了拋光速度，并降低了 藍(lán)寶石表面的粗糙度。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 含鈷摻雜二氧化硅納米復(fù)合磨粒溶膠，其特征在于，由質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為o. 43wt%的硝 酸鈷溶液和2. 5wt%的硅酸溶液按1:1的質(zhì)量比，同時(shí)加入Iwt%氫氧化鈉，通過共沉淀法 沉淀在二氧化硅晶種上反應(yīng)制成，所述的溶膠中的納米復(fù)合磨粒呈均勻球形，所述的溶膠 中的氫氧化鈷摻雜量為〇.Iwt%-5wt%。
2. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的含鈷摻雜二氧化硅納米復(fù)合磨粒溶膠，其特征在于，所述的 溶膠中的氫氧化鈷摻雜量為〇. 5-1. 5wt%。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的含鈷摻雜二氧化硅納米復(fù)合磨粒溶膠，其特征在于，所述的 溶膠中納米復(fù)合磨粒的粒徑為20-150納米。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的含鈷摻雜二氧化硅納米復(fù)合磨粒溶膠，其特征在于，所述的 溶膠中納米復(fù)合磨粒的粒徑為106-123納米。
5. 如權(quán)利要求1-4中任意一種含鈷摻雜二氧化硅納米復(fù)合磨粒溶膠的制備方法，其特 征在于，步驟如下：先用陽離子交換法制備PH值為2. 5、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2. 5 %的硅酸， 在100 °C和攪拌條件下，硅酸、0.43wt%的硝酸鈷溶液和Iwt%氫氧化鈉分別加入二 氧化硅晶種中進(jìn)行生長，氫氧化鈉控制整個(gè)溶膠體系pH值保持在10,控制硝酸鈷和硅酸混 合物的滴加速度保持溶膠體系中蒸發(fā)速度和滴加速度相平衡。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的含鈷摻雜二氧化硅納米復(fù)合磨粒溶膠的制備方法，其特征在 于，所述的摻雜反應(yīng)時(shí)間為140分鐘-420分鐘。
7. 含有如權(quán)利要求1-4中任意一種含鈷摻雜二氧化硅納米復(fù)合磨粒溶膠的拋光液組 合物，其特征在于，組成及各成分質(zhì)量百分含量如下： 含鈷摻雜二氧化硅納米復(fù)合磨粒溶膠 10-20% 分散劑焦磷酸鈉 0. 2-3% 表面活性劑十二烷基聚氧乙烯醚 0.01-1%， 水 余量； 以上各組成的質(zhì)量百分含量之和為100%。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的拋光液組合物，其特征在于，組成及各成分質(zhì)量百分含量如 下： 含鈷摻雜二氧化硅納米復(fù)合磨粒溶膠 10% 分散劑焦磷酸鈉 1% 表面活性劑十二烷基聚氧乙烯醚 0.5%， 水 余量； 以上各組成的質(zhì)量百分含量之和為100%。
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種含鈷摻雜二氧化硅納米復(fù)合磨粒溶膠，由質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為0.43wt%的硝酸鈷溶液和2.5wt%的硅酸溶液按1:1的質(zhì)量比，同時(shí)加入1wt%氫氧化鈉，通過共沉淀法沉淀在二氧化硅晶種上反應(yīng)制成，所述的溶膠中的納米復(fù)合磨粒呈均勻球形，所述的含鈷摻雜二氧化硅納米復(fù)合磨粒溶膠中的氫氧化鈷摻雜量為0.1wt%-5wt%。采用本發(fā)明提供的拋光液對(duì)藍(lán)寶石基片進(jìn)行拋光，可以有效地提高藍(lán)寶石表面去除率，降低藍(lán)寶石表面的粗糙度。
【IPC分類】C09G1-02, C09K3-14
【公開號(hào)】CN104694081
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510127305
【發(fā)明人】李家榮, 馬盼
【申請(qǐng)人】江蘇天恒納米科技股份有限公司
【公開日】2015年6月10日
【申請(qǐng)日】2015年3月23日