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），而且具有較強的化學活性，容易發生鈰的價態變化，因此以其為主要成分的稀土拋光液具有拋光耗時短、拋光精度高、使用壽命長、工作環境清潔等優點，已經完全取代了過去使用的氧化鐵，成為目前玻璃加工中應用最廣泛、效率最佳的拋光材料，被廣泛應用于手機屏幕、光學玻璃、液晶顯示器和硬盤等產品的精密拋光中。不過，近年來隨著我國稀土拋光粉應用從普通玻璃制造行業向光電子顯示行業轉換和推進，高品質氧化鈰稀土拋光材料的研究與開發成為了行業的迫切需求。

氧化鈰拋光液應用——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理

目前，最受認可的氧化鈰拋光液拋光玻璃的機制是由Cook提出的化學成鍵拋光機理，可看作是物理拋光與化學拋光的共同作用：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與拋光平臺之間產生的機械力促使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，最終獲得高平整度的表面。

氧化鈰化學機械拋光機理

另外，CeO₂的氧化還原反應也會使硅酸鹽晶格破壞，通過化學吸附作用，使玻璃表面與拋光劑接觸的物質包括玻璃及水解化合物被氧化或者形成Si－O－Ce鍵，并在此基礎上通過拋光粉的機械磨削作用而被去除，從而露出新的玻璃表面，為進一步拋光創造條件。

高品質氧化鈰拋光液生產要點

根據氧化鈰拋光液拋光機理，如果拋光過程中，拋光液的化學作用大于物理作用，就會出現腐蝕坑點；物理作用大于化學作用會產生劃傷，只有當二者接近平衡的時候才能獲得較好的表面質量。因此拋光液中成分、二氧化鈰粒度分布、物相結構及微觀形貌等對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、結晶形狀與形貌等理化性能直接決定了拋光后的表面質量。

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加工設備的發展，玻璃加工對減薄的需求越來越低，對表面質量的要求越來越高，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，由于過粗或過細的顆粒比較少，每個顆粒在拋光過程中對工件表面的作用力更加一致，可以實現更均勻的磨損。目前應用于拋光利于的氧化鈰粒徑證逐漸由微米級向亞微米級、納米級過渡。

（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電子層結構且形貌為球形的面心立方螢石結構氧化鈰，這種結構的氧化鈰由于外層電子非常不穩定，鈰離子容易在Ce⁴⁺和Ce³⁺兩個離子態之間轉換，表現出非常好的還原/氧化性，因此材料去除速率較高，化學活性較高，材料選擇性高，且工件表面劃痕很少，很適合高質量表面的精細拋光。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，其拋光的磨損機理為微磨粒磨損，能夠產生更好的拋光效果，而棱角鋒利、邊緣清晰的不規則CeO₂粒子則容易對表面造成損傷。

（a）CeO₂的理想晶體結構，（b）一個氧空位伴隨兩個Ce³⁺生成物存在時CeO₂的晶體結構

（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、拋光時間長，常用于精密儀器、半導體元件等高要求產品的拋光。

不過在實際應用中，少量的其他元素摻雜也能促進拋光效果提升，比如，摻雜含量不超過6%的F元素就能夠促進拋光粉晶體的晶化，穩定晶體顆粒尺寸，同時提高化學腐蝕作用，提升拋光速度。而鑭元素則能夠與氟元素相結合生成氟氧化鑭鈰相，使氟穩定的存在粉體中。

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體，再通過高溫煅燒分解、機械研磨制得，這種顆粒的缺陷是粒度分布寬，形貌不規則，這些都對拋光質量造成不良的影響，使表面劃傷嚴重，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少、晶型及形貌可控，同時粒度小、粒徑分布均勻的CeO2拋光粉，具有廣闊的應用前景。

2.高穩定性拋光液的配置

目前用于高精密拋光的氧化鈰粒度逐漸向亞微米級、納米級發展，加上粉體有一定的化學活性，使得拋光粉在使用過程中發生團聚現象，容易導致工件劃傷，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鍵。

（1）PH值

漿料的pH不僅影響著拋光粒子表面的物化性質，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，該種粒子帶負電，根據雙電層理論，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的pH6.5～7.5之間，當體系的pH大于7.5或小于6.5時，隨著堿性或酸性的增加，其雙電層滑動面的電位即ZETA電位絕對值都會逐漸增大，此時懸浮物粒子異種電荷主要集中在擴散層中導致粒子間的排斥力越強，越不易沉降，不過由于在強堿性或者強酸條件下，拋光液會對拋光機器產生一定的腐蝕，并且也會使玻璃表面產生桔皮現象，因此，在光學玻璃的拋光中，一般是選擇pH=7-9的弱堿條件下進行拋光。

（2）表面活性劑

根據溶膠穩定性理論（DLVO）學說，體系內的膠團之間有斥力勢能與引力勢能，添加表面活性劑會改變體系里的斥力勢能，因此選取合適的活性劑可以獲得分散相對穩定的體系。比如有些活性劑具有高分子鏈，可以在溶液中就會將顆粒包裹起來，產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，改變顆粒表面雙電層的斥力同時產生空間位阻。

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，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

在拋光材料的實際應用過程中，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隨溶液離子強度增加而下降，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四鈉等絡合劑絡合水中的鈣、鎂離子等雜質。

（4）粘度

根據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和無機兩種，無機增稠劑如無機凝膠，改性膨潤土等；有機增稠劑如纖維素醚、聚乙烯醇等。不過在拋光過程中引入過多的有機物會降低拋光速度，所以一般選擇黏度為1000～1200cps即可達到降低沉淀速度的目的。

其實，為了保證氧化鈰拋光液的實際應用效果，不僅需要保持優異的穩定性能外，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

近年來我國稀土拋光粉應用從普通玻璃制造行業向光電子顯示行業轉換和推進，而要想在高速發展的光電顯示行業中謀求發展，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，后續髙性能CMP拋光液的研制（如穩定性能提升等）也需要加強，更重要的是CeO_２拋光液生產公司不能盲目追求的性能指標，而應與應用的公司形成產業鏈，避免上下游脫節，滿足下游應用產業實際需要。

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