基于半固着磨具的蓝宝石延性域加工基础研究

论文摘要

蓝宝石（α-alumina,Al2O3）是典型的硬脆先进陶瓷材料,作为优良的衬底材料,具有良好的物理和化学性质,普遍用于高速IC芯片、薄膜衬底和各种电子和机械元件。随着电子技术、固体照明技术的发展,对超精密加工技术提出了更高的要求。追求高效和少、无损伤超精密加工,促成了延性域加工技术的出现,也就是说加工脆性材料时,切屑通过剪切的形式被磨粒切除下来,加工后的表面和亚表面没有裂纹产生,也没有脆性剥落时的凹凸不平现象出现,因此延性域加工是一种损伤极小的加工方式,在陶瓷、玻璃、光学元件和半导体领域有广阔的应用前景。为了更好的控制磨粒的延性域加工,本课题组提出了一种“半固着磨具”加工技术,其“半固着磨具”以有机结合剂、磨料为主,在一定的压力和较低温度下成型的新型磨具,该磨具表面磨粒的排列方式具有等高性和均匀性,磨粒之间的结合强度比固结砂轮弱,不会在工件表面造成强制性划伤,磨粒的均匀分布不会产生游离磨粒的加工随机性。具有加工表面损伤层小,加工表面质量的可控性好、批一致性高以及加工效率高等特点。本文基于“半固着磨具加工技术”,对蓝宝石衬底系统地开展了延性域加工的试验研究。利用微纳米力学系统的纳米压入、划痕试验方法,分析了蓝宝石衬底延性到脆性的转变过程和特征,并通过分形理论和试验研究半固着磨具与工件的接触特性,对研磨过程的延性域研磨参数进行了分析;综合纳米压痕、划痕等试验方法和SEM、EDS、AFM、XRD等测试手段,对研磨加工的表面损伤和完整性进行了分析;并对延性域研磨加工进行了评价。论文的主要工作如下:（1）采用纳米压入和纳米划痕等微纳米力学测试手段分析了蓝宝石延性-脆性转化的过程和特征,获得了不发生脆性破坏的临界切削深度约为300nm左右。（2）运用分形理论分析了半固着磨具与工件的微接触行为,对半固着磨具的表面形貌进行了模拟,使用超景深三维显微镜获得半固着磨具表面的粗糙度特征值,由这些特征,生成半固着磨具的三维表面形貌。通过计算和试验获得工件与半固着磨具的接触面积与载荷的关系,为试验参数的设计提供支持。（3）根据临界条件和接触参数情况,根据延性域加工的数学模型,得出了延性域加工的控制参数,并经过游离磨粒与半固着磨具的加工试验对比研究得出:使用粒度为W14的碳化硼磨粒的半固着磨具加工,工件的表面质量优于粒度为W3.5的B4C磨粒的游离磨粒加工水平。因此半固着磨具加工可以减少游离磨粒加工的工序,提高加工效率。并对半固着磨具加工的工件表面进行了高分辨率的AFM和SEM分析测试,未发现微小裂纹存在,但有类似金属切削的塑性流动产生。采用EDS分析表面塑性流动部分的组成成份为41.1wt%的O,58.9wt%的Al,证明是蓝宝石自身材料,并不是半固着磨具脱落物。因为半固着磨具的磨粒有结合剂粘着,其加工类似于大量的微刃切削,所以能够达到延性加工的目的。（4）延性域加工评价为工件加工后表面和亚表面不存在裂纹,而且其变质层为数百个纳米以下。本文提出了使用X射线小角度掠入技术和纳米压入的方法来测试表面变质层的厚度。几种方法所测得的变质层厚度都在数百纳米左右。

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摘要

ABSTRACT

符号说明

第一章绪论

1.1 引言

1.2 课题的提出

1.3 课题研究意义

1.4 国内外研究现状

1.4.1 蓝宝石衬底的精密加工现状

1.4.2 脆硬材料延性域加工研究现状

1.4.3 表面接触模型与真实接触面积和压力计算和仿真现状

1.4.4 微纳米力学性能测试研究现状

1.5 本文的主要研究内容

1.6 本文的结构安排

第二章蓝宝石衬底的延脆性临界转变条件研究

2.1 问题的提出

2.2 蓝宝石延性研磨的可行性分析

2.2.1 蓝宝石衬底的物理特性

2.2.2 蓝宝石衬底的延性域特征

2.3 蓝宝石纳米压痕测试

2.3.1 纳米压痕的测量原理

2.3.2 纳米压痕硬度与弹性模量的模型

2.3.3 蓝宝石纳米压痕试验方案设计

2.3.4 蓝宝石纳米压痕试验

2.3.5 磨粒的尖端形状对蓝宝石延性—脆性转变的影响

2.4 蓝宝石衬底纳米划入试验

2.4.1 工件的划痕试验

2.5 本章小结

第三章半固着磨具与工件的微接触行为分析

3.1 半固着磨具的概述

3.2 半固着磨具与工件的微接触模型

3.2.1 工程粗糙表面的微接触的统计理论分析

3.2.2 蓝宝石衬底与半固着磨具的实际接触分析

3.3 半固着磨具与蓝宝石接触的分形模拟

3.3.1 传统的单一尺度模型的缺陷

3.3.2 半固着磨具表面形貌的的分形模型

3.3.3 半固着磨具与蓝宝石工件微接触分析

3.4 半固着磨具与蓝宝石工件接触试验验证

3.4.1 半固着磨具与工件的接触试验

3.4.2 接触面积的数字图像提取

3.5 本章小结

第四章蓝宝石半固着磨具研磨加工试验研究

4.1 引言

4.2 延性域研磨加工的数学模型与试验条件和研磨参数选择

4.2.1 延性域加工的数学模型

4.2.2 研磨加工试验条件与参数

4.3 半固着磨具与游离磨粒试验对比分析

4.3.1 游离磨粒的蓝宝石研磨加工试验

4.3.2 基于半固着磨具的蓝宝石研磨加工试验

4.4 蓝宝石衬底的抛光加工

4.5 本章小结

第五章半固着磨具延性域研磨蓝宝石评价方法

5.1 引言

5.2 XRD小角掠入方法研究亚表面变质层

5.2.1 XRD的基本原理

5.2.2 XRD小角掠入方法测试变质层厚度原理

5.2.3 蓝宝石对X—Ray的吸收系数

5.2.4 X-Ray小角度掠入试验

5.3 纳米压入试验分析亚表面损伤层厚度

5.3.1 Nano Indenter XP（?）系统的稳定性和可靠性验证

5.3.2 亚表面损伤层厚度

5.4 TEM测试验证

5.5 本章小结

第六章结论与展望

6.1 结论

6.2 本文的创新之处

6.3 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间参加的科研项目和成果

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