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单晶硅纳米切削实验及表面完整性研究

赵兵  
【摘要】:近年来,纳米技术飞速发展,对于微小关键零部件的加工提出了新的更高的需求和挑战,如不仅要求加工表面光滑无缺陷,还要求控制已加工表面之下的近表层(亚表面)的损伤。由于纳米切削加工形成的表面/亚表面损伤会影响零件的物理力学性能和使用寿命,要提高零件加工的完整性,需要深入开展纳米切削的加工机理和实验工艺研究。本文对纳米切削的研究现状进行了综述,基于实验室已搭建的扫描电镜在线纳米切削平台,开展了典型脆性材料单晶硅的金刚石刀具纳米切削实验。论文的主要研究内容如下:(1)在兼顾加工效率和加工质量的情况下,对利用聚焦离子束(FIB)技术制备单晶铜、AA6061铝合金的电子背散射衍射(EBSD)表征样品进行了研究,获得了适合这两种材料的EBSD制样的FIB加工参数。利用FIB技术对单晶金刚石刀具进行修锐,获得了75 nm刃口半径的刀具。(2)基于纳米切削平台系统,对单晶硅纳米切削的脆塑转变深度进行了金刚石刀具可控纳米切削实验研究。探讨了单晶硅塑性去除加工的机理,对不同晶向单晶硅的脆塑转变深度差异进行了研究分析。研究发现,在(001)100晶向上切削时,切削厚度在50 nm以下,可以获得良好的加工表面。在(001)110和(111)10-1晶向上切削时,要想获得良好的加工表面,需要将切削厚度控制在90 nm以下。(3)利用75 nm刃口半径的金刚石刀具开展了单晶硅的连续多次纳米切削的加工研究。研究发现当重复纳米切削的单次切削厚度小于单晶硅脆塑转变深度时,已切削加工表面会周期性出现微小凹坑等脆性去除现象。当切削厚度较小时,表面产生的凹坑随着纳米切削的进行可以修复;而当切削厚度较大时,出现脆性断裂后,随着纳米切削的进行,凹坑的大小和数量会发生变化,但是表面凹坑已经不可修复去除。(4)运用EBSD和显微拉曼光谱,对单次和多次纳米切削的表面及切屑进行了微观表征分析。研究表明,通过采用不同的电子束加速电压,EBSD可以对材料亚表面不同深度的相变等改性信息进行探测和表征;利用EBSD的衍射带衬度BC值,可以实现对单晶硅纳米切削过程的应力应变定性分析。


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