随着市场上对成像质量以及器件小型化要求的不断提高，高精度的光学非球面镜逐渐在光学仪器、空间激光通信、航空航天等领域中得到重要应用。作为新一代光学加工技术，磁流变抛光技术具有去除函数稳定、材料去除效率高、加工过程可控、抛光后的面形精度高、适合复杂表面加工等特点，在非球面加工中有着很大的应用前景。不过由于国外对磁流变抛光关键技术，特别是制磁流变抛光液的研制严格保密，使得我国磁流变抛光技术在实际工程的应用中受到了限制。

来源：中科擎邦科技有限公司

磁流体抛光技术原理

磁流变抛光实现精密加工的关键在于磁流变液。在无外加磁场时磁流变液呈流体状态，铁磁颗粒粒子随机的分散于体系中，但当施加一外磁场后，磁性微粒在磁场作用下会沿磁场方向发生流变而形成的具有粘塑特性的“柔性抛光模”，抛光时，磁流变液形成的“柔性抛光模”在与工件接触的区域形成剪切力，通过调整工件的旋转角度和速度即可实现工件表面材料各向均匀去除，得到光滑表面。

磁流变抛光原理（来源：参考文献1）

磁流变抛光液的性能要求

作为磁流变抛光的关键耗材，磁流变抛光液既要具有传统磁流变液的基本性能，同时具有一些能够满足精密抛光的性能要求，如零磁场粘度低、抗沉降稳定性好、易于再分散、剪切屈服应力高、动态响应速度快、工作范围宽、环保等，在配制磁流变抛光液过程中，所选择的添加成分需要充分考虑到这些指标，才能达到优异的抛光效果。

磁流变抛光液除了包括连续相的基载液、分散相的铁磁微粒和稳定剂等典型磁流变液所包含的成分，还会加入抛光粉来提升抛光效率。

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基载液

磁流变抛光液的基载液主要分为水基和油基两大类。

水基磁流变抛光液通常采用去离子水作为基载液，光学玻璃利用其进行抛光，会发生水解反应，有利于抛光的进行，提升抛光速率，且零磁场粘度较小，抛光后易清洗。但水基载液在抛光过程中易于蒸发，对磁流变液组成成分造成较大影响，需要定期加基载液来保证成分稳定，同时水基磁流变抛光液还存在分散稳定性差和抗氧化性差的缺点，容易引起磁流变器件工作效率明显下降‚甚至失效。

油基型磁流变液是针对KDP晶体等水溶性材料而研发的一类抛光液，通常采用硅油、矿物油、合成烃、甘油等作为基载液，其除了不会溶解可溶性晶体，相比水基型磁流变抛光液，还具有分散稳定性好、防腐性好的优点，不过由于零磁场粘度太大，会造成抛光后工件不容易清洗干净会引起抛光后工件表面的污染。

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磁性微粒

磁流变液所具有的流变效应是由于磁性颗粒在磁场作用下，形成了磁偶极子，相互作用形成链状或是柱状结构，从而变成了类固体状态，因此，磁性颗粒的性能是影响磁流变前屈服应力的主要因素之一。目前，羰基铁粉因其一系列独特特性，成为了磁流变抛光液最常用的磁性颗粒材料之一：

（1）羰基铁粉的饱和磁感应强度高达2.2T，可以保证磁流变液具有较高的剪切屈服应力。

（2）磁矫顽力最小可达0.05奥斯特，可确保磁流变液可以在退去磁场后，液体粘度迅速恢复为零磁场粘度状态，保障抛光过程中液体可稳定循环回收。

（3）硬度适中，形状呈洋葱球层状独特结构，在抛光时不会对光学零件表面造成损害。

（4）羰基铁粉的磁化性能受温度影响较小，磁流变液在不同温度条件下都能保持稳定的性能。

（5）羰基铁粉具有较高的磁导率，使得磁流变液能够在较弱的磁场下表现出良好的响应性能。

（6）磁滞回线狭窄、内聚力小，可以降低磁流变液流变的能耗损失；

羰基铁粉（来源：网络）

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抛光粉

在磁流变抛光过程中，磁流变抛光液经过抛光区域，在磁场作用下，磁流变液则形成柔性抛光磨头，而抛光粉则从抛光液中渗出，直接作用于光学玻璃的表面，在柔性抛光磨头旋转形成的剪切力作用下，实现工件表面材料的去除。抛光粉的选择对加工过程中的剪切作用有着重要影响。

抛光粉的硬度越大，抛光效率就越高，目前通用的抛光粉按硬度从大到小排序有：金刚石微粉、氧化铝、氧化铈等，金刚石微粉常用于抛光碳化硅等硬度较大的材料，氧化铝成本相对较低，常用于大尺寸蓝宝石单晶、激光晶体、光纤接口等光学晶体等领域，而氧化铈能够与与二氧化硅表面发生缩合反应，提升抛光速率，是抛光玻璃材料最常用的抛光粉。

磁流变抛光区域示意图（来源：参考文献1）

除此之外，抛光粉粒径对于抛光效果也存在一定影响。在磁场的影响下，磨粒夹杂在排成链状结构的羰基铁粉（CIP）之间，当夹杂在CIP磁链中的磨粒粒径越大，CIP磁链的变形越严重，结合强度越弱，磁力相互作用越小。当CIP与磨料粒度差异较小时，力的相互作用越大，抛光效率更高。

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分散稳定剂

由于磁流变液中铁磁颗粒的密度远大于基载液，随着时间的推移，磁流变液极易发生沉降，通常这些颗粒沉降后凝结在一起会形成难以再分散的结块，这将严重影响磁流变液的性能，甚至导致磁流变液失效，最终影响磁流变抛光效果。为了使磁流变抛光液保持稳定，往往需要添加分散稳定剂。

分散稳定剂大致可分为阴离子型、阳离子型、两性离子型、非离子型四种，其选择取决于被分散物质的特性、分散介质的性质等多种因素。比如含羰基铁粉的磁流变液常采用含有-COOH基团的阴离子型分散剂，-COOH基团可以通过离子键、共价键、氢键及范德瓦尔斯力等相互作用，在固体颗粒表面上形成紧密的不可逆吸附，从而形成为稳定的分散体系。

四种分散稳定剂结构

此外，分散剂分子量的大小也会对分散体系的粘度和分散特性造成较大的影响，分子量过小将无法为铁粉粒子提供足够大的空间排斥力不利于磁流变液体系的稳定，分子量过大会造成疏水链间的缠绕发生絮凝，造成磁流变液的初始粘度过大，易发生絮凝，影响磁流变液的流变性。

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其他添加剂

除了分散稳定剂外，磁流变抛光液中往往还会根据情况添加润湿剂，提高磁性颗粒在抛光液中的润湿性；添加PH调节剂，保证分散稳定剂发挥最佳的效果，并保证磁流变液的防锈能力.....

小结

磁流变抛光液是磁流变抛光的关键技术之一，磁流变抛光液性能的好坏决定磁流变抛光效率的高低和抛光后工件的表面质量优劣。目前我国在磁流变抛光液的配制技术上仍受制于人，需要进一步对磁流变抛光液分散机理的研究，并结合实际加工需求，合理搭配各组成成分，优化磁流变抛光液的分散稳定性、磁学性能、流变性能等。

参考文献：

1.白杨.磁流变抛光液的研制及去除函数稳定性研究[D].中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所).

2.董惠文.非水基磁流变抛光液及抛光工艺研究[D].西安工业大学.

3.戴立达,张争艳,乔国朝.磁流变抛光技术研究进展[J].机械设计与制造.