本文選題：黏著 + 摩擦機理　； 參考：《山東大學(xué)》2017年碩士論文

【摘要】：隨著微機電技術(shù)的發(fā)展,對微、納尺度微細結(jié)構(gòu)的加工技術(shù)提出了更高要求。機械刻劃加工技術(shù)可靈活方便地實現(xiàn)微細結(jié)構(gòu)的加工,成為近年來研究的熱點。本文對機械刻劃加工中探針與材料間的摩擦特性進行研究,揭示材料去除與微結(jié)構(gòu)成形的機理,對機械刻劃加工工藝的優(yōu)化,具有重要意義。本文通過實驗與仿真相結(jié)合的方法,研究了納米尺度下的黏著力變化規(guī)律;建立了微納刻劃過程摩擦系數(shù)計算模型,通過對實驗結(jié)果的分析,將機械刻劃加工中的摩擦區(qū)分為界面主導(dǎo)摩擦與耕犁主導(dǎo)摩擦兩種類型;利用分子動力學(xué)仿真,從原子角度對刻劃機理進行仿真研究;分析了界面主導(dǎo)的摩擦與耕犁主導(dǎo)的摩擦特性對加工表面的影響規(guī)律。從實驗角度,基于原子力顯微鏡證實了納米尺度黏著現(xiàn)象的存在,并利用分子動力學(xué)仿真方法,對納米尺度不同實驗參數(shù)對黏著的影響機理從原子角度進行分析。結(jié)果顯示:單晶硅納米水平下的黏著現(xiàn)象受法向載荷的影響,且隨壓入深度、探針半徑、脫離速度的增大而增大,仿真黏著力數(shù)值受塑性變形量的影響,塑性變形量越大,黏著力越大。在微納尺度上,以單晶硅試樣在刻劃過程中的摩擦機理為研究重點,建立了摩擦系數(shù)的數(shù)學(xué)計算模型,并應(yīng)用此模型討論不同實驗參數(shù)對摩擦機理的影響,從而揭示微納尺度單晶硅刻劃中的摩擦機理。得出:以界面摩擦主導(dǎo)的刻劃實驗發(fā)現(xiàn):隨著刻劃速度、刻劃距離、刻劃次數(shù)的增大界面摩擦系數(shù)呈減小趨勢,當(dāng)刻劃速度為6μms-1、刻劃距離為15μm、刻劃次數(shù)為5次時,界面摩擦系數(shù)開始小于耕犁摩擦系數(shù),摩擦機理開始由界面摩擦主導(dǎo)向耕犁摩擦主導(dǎo)轉(zhuǎn)變。以耕犁摩擦主導(dǎo)的刻劃實驗發(fā)現(xiàn):隨著刻劃載荷、刻劃距離增大,耕犁摩擦系數(shù)不斷增大,并且當(dāng)刻劃載荷達到10mN時,耕犁摩擦系數(shù)大于界面摩擦系數(shù),探針-試樣間的摩擦機理開始向耕犁主導(dǎo)的摩擦轉(zhuǎn)變�？虅澊螖�(shù)對摩擦系數(shù)影響規(guī)律與其他實驗參數(shù)的影響規(guī)律存在明顯差別。低載荷下(1mN),始終以界面摩擦為主導(dǎo)地位;但是在高載荷下(10mN),隨著刻劃次數(shù)增加,摩擦機理由耕犁主導(dǎo)的摩擦開始向界面與耕犁組合的摩擦轉(zhuǎn)變。低速下(刻劃速度4μms-1),探針-試樣間以黏著導(dǎo)致的摩擦為主,隨著相對滑動速度的增大(刻劃速度6μms-1),主導(dǎo)滑動過程中摩擦力的因素轉(zhuǎn)變?yōu)楸砻鎸幼冃紊踔聊p,發(fā)生摩擦機理的轉(zhuǎn)變。通過對刻劃過程的仿真得到:在探針前下方的試樣原子由于探針刻劃的擠壓作用受到較大的壓應(yīng)力值(200GPa),在已刻劃的表面,則產(chǎn)生明顯的拉應(yīng)力。隨著刻劃深度、刻劃距離、探針半徑的增加,受拉、壓應(yīng)力的原子數(shù)增多,探針-試樣接觸面積增大,摩擦力逐漸增大。在以界面摩擦主導(dǎo)的加工條件下:刻劃次數(shù)增多,槽型鈍圓半徑減小,更加接近實際探針形狀。當(dāng)累積刻劃距離40μm時,隨著累積刻劃距離增大、刻劃次數(shù)增大,溝槽內(nèi)更易產(chǎn)生裂紋,甚至出現(xiàn)層裂現(xiàn)象。隨著壓入深度增大(32nm),更多的材料以材料堆積或碎屑的形式去除,溝槽兩側(cè)隆起現(xiàn)象減弱。當(dāng)刻劃速度≤6μms-1,溝槽內(nèi)材料的不連續(xù)堆積現(xiàn)象隨著刻劃速度增大而減弱。在以耕犁摩擦主導(dǎo)的加工條件下:溝槽兩側(cè)不平度與界面、耕犁摩擦系數(shù)比有關(guān)。摩擦系數(shù)比減小,溝槽兩側(cè)面不平度減弱。材料隆起的消失與摩擦機理的轉(zhuǎn)變有關(guān)。當(dāng)刻劃載荷10mN時,隨著刻劃載荷增大,隆起高度增大,隆起凸峰個數(shù)減少;當(dāng)刻劃載荷10mN時,隨著刻劃載荷增大(18mN),溝槽兩側(cè)隆起現(xiàn)象減弱直至消失。隨著刻劃次數(shù)增多,耕犁作用加強,刻劃末端材料堆積現(xiàn)象加劇。
[Abstract]:With the development of micro - electromechanical technology , the processing technology of micro - nano - scale micro - structure is higher . The mechanism of friction between probe and material in mechanical scribing process is studied . Under high load ( 10 mN ) , the friction between the two sides of the groove is increased with the increase of the scratch depth ( 4 渭m ~ 1 ) , the friction between the probe and sample is increased , and the friction mechanism changes . As the scribing speed is less than 6 渭m ~ 1 , the number of friction is decreased .

【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TH16

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本文編號：1896625