硬盘磁头多元复合表面的超精密抛光机理研究

论文摘要

GMR（giant magnetic resistance）硬盘磁头基体部分是硬脆的AlTiC材料,读写部分由很薄的多种金属材料组成,其中最薄的金属层只有1nm左右,整体结构复杂。磁头表面质量如表面粗糙度、极尖凹陷（Pole TipRecession,即PTR）等,是影响磁头面密度提高的重要因素。目前,硬盘磁头抛光技术为少数国外企业所掌握,关于磁头抛光的可查文献资料很少。掌握硬盘磁头抛光技术并且突破磁头抛光技术的瓶颈在于对磁头抛光机理的深刻认识。因此,本文针对磁头表面粗糙度、极尖凹陷等的形成与控制进行研究,开展的主要工作和获得的主要认识有:1.建立了GMR硬盘磁头抛光的实验系统,研究了磁头与抛光盘的相对运动轨迹,通过仿真计算,获得优化参数的磁头运动轨迹。磁头和抛光盘的角速度关系应该满足:ω1-ω2≠0.1nω1n=0,1,2……,否则磨粒运动轨迹重复或奇异,不利于形成超光滑表面。研究了磁头与抛光盘的转速比同抛光均匀性的关系以及抛光机各运行参数对转速比的影响。2.磁头抛光是一种机械加工,在加工过程中,工件和抛光盘是一对相对运动关系复杂的摩擦副。运用摩擦学理论,分析了磁头抛光中工件与抛光盘之间的接触关系;研究了抛光液流场的分布及其对“工件——抛光盘面”接触应力场的影响;分析了抛光中自由磨粒的运动规律和磨粒嵌入抛光盘的机理,发现抛光盘和工件的转速比影响接触面速度场的分布,从而影响局部抛光液膜厚度的变化和粗糙峰承载力的变化,并进一步影响磨粒在抛光盘表面的嵌入。3.研究了抛光压力、盘面形貌、抛光液中金刚石磨粒的粒径等参数对材料去除率的影响。针对自由磨粒抛光中的单晶金刚石,建立了菱形磨粒抛光的材料去除统计模型,与抛光实验结果基本吻合。4.研究了纳米研磨的材料去除过程和亚纳米级光滑表面的形成机理。根据接触力学理论,嵌入盘面的金刚石磨粒与抛光盘构成“球——空腔”协调接触类型,不同于一般的赫兹接触,由此建立了金刚石磨粒与抛光盘的“球——空腔”协调接触模型,研究表明抛光过程中磨粒在盘表面空腔中由弹性退让发展到塑性陷入,其转变的临界值点决定磨粒对磁头表面材料的去除能力;提出纳米尺度研磨是以磁头表面非连续凸峰的去除为主体,不同于自由磨粒抛光和磨削是对整体表面层的去除。5.研究了PTR的形成机理。发现自由磨粒抛光阶段PTR的形成与抛光盘表面形貌参数、抛光压力、磨粒粒径、抛光盘转速等有关,合适的抛光盘表面粗糙度和微凸峰密度以及微凸峰曲率半径可以减小PTR。采用中等粒度纳米金刚石抛光磁头表面,使磁头表面粗糙度Rms由原来的0.61nm左右下降到0.26nm,PTR由原来的10nm左右下降到1.22nm,消除了表面黑点和划痕。6.研究了超声波在磁头抛光中的应用。在自由磨粒抛光阶段加入超声波,获得了更光滑的磁头表面,极尖沉降明显降低,基体部分去除率由原来的10nm/m提高到16nm/m。研究了超声波在抛光中的宏观和微观作用机理。7.在磁头机械抛光中引入化学作用,获得了亚纳米级的PTR,消除了抛光盘材料转移引起的磁头表面黑点,并保护极尖和GMR头堆未受腐蚀。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 GMR硬盘磁头及其特点
• 1.1.1 硬盘存储技术及磁头的发展历程
• 1.1.2 GMR硬盘磁头多元复合表面的特点
• 1.2 GMR硬盘磁头抛光机理的研究现状
• 1.2.1 GMR硬盘磁头加工制造的基本过程
• 1.2.2 GMR硬盘磁头抛光的研究现状
• 1.3 超精密抛光普遍机理的研究现状
• 1.3.1 超精密抛光技术概述
• 1.3.2 机械抛光金属等延性材料去除机理的研究
• 1.3.3 机械抛光陶瓷等硬脆材料去除机理
• 1.3.4 分子动力学在机械抛光机理研究中的应用及其局限性
• 1.3.5 其它能量用于超精密抛光的研究
• 1.4 课题来源与研究目的及意义
• 1.5 本文主要研究内容
• 第二章 磁头抛光实验机的运动学特性与各主要抛光要素的几何力学性能研究
• 2.1 抛光实验机的运动学分析
• 2.1.1 磁头相对于抛光盘的运动轨迹
• 2.1.2 磁头表面的均匀性抛光
• 2.2 GMR硬盘磁头表面形貌及力学性能
• 2.3 抛光盘表面形貌及力学性能
• 2.4 抛光液及磨粒的特性
• 2.5 本章小结
• 第三章 四个主要抛光要素相互作用关系的研究
• 3.1 硬盘磁头抛光的工艺过程
• 3.1.1 自由磨粒抛光（Lapping）
• 3.1.2 纳米研磨（Nanogrinding）
• 3.1.3 抛光盘磨粒的嵌入
• 3.2 抛光盘和工件的接触关系研究
• 3.2.1 抛光盘盘面粗糙峰的变形形式
• 3.2.2 工件和盘面真实接触面积的估算
• 3.2.3 磁头抛光过程合适的膜厚比范围
• 3.3 抛光液流场和承载力的研究
• 3.3.1 不计盘面粗糙度的抛光液流场分析
• 3.3.2 计入盘面粗糙度的抛光液流场分析
• 3.3.3 抛光液膜的承载力分析
• 3.4 磨粒的运动模式和受载分析
• 3.4.1 自由磨粒的运动模式
• 3.4.2 研磨盘的磨粒嵌入工艺
• 3.4.3 磨粒嵌入机理
• 3.5 本章小结
• 第四章 亚纳米级光滑表面的形成及PTR的形成与控制
• 4.1 磁头自由磨粒抛光材料去除的研究
• 4.1.1 自由磨粒抛光的材料去除方式
• 4.1.2 菱形磨粒抛光的材料去除模型
• 4.1.3 菱形磨粒材料去除模型的分析
• 4.2 纳米研磨材料去除的研究
• 4.2.1 纳米研磨的力学特点
• 4.2.2 纳米研磨的材料去除模型
• 4.3 磁头表面的极尖沉降
• 4.3.1 磁头抛光中的极尖沉降
• 4.3.2 极尖沉降的形成机理
• 4.4 极尖沉降的控制
• 4.4.1 自由磨粒抛光中抛光参数对PTR的影响
• 4.4.2 PTR的控制和消除
• 4.5 本章小结
• 第五章 超声能和化学能在磁头抛光中的应用研究
• 5.1 机械抛光的局限性
• 5.2 超声波在硬盘磁头抛光中的应用研究
• 5.2.1 超声波对磁头表面PTR影响的实验研究
• 5.2.2 超声波抛光的作用机理研究
• 5.3 硬盘磁头化学机械抛光的研究
• 5.3.1 化学机械抛光机理
• 5.3.2 化学机械抛光的实验研究
• 5.3.3 磁头抛光化学机械交互作用的研究
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 本文具有创新意义的工作
• 6.3 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间主要的研究成果（发表学术论文情况）