發(fā)布時間：2020-11-08 11:37

　　 單晶硅片、功能晶體、K9光學(xué)玻璃等信息材料器件廣泛應(yīng)用于電子工業(yè)領(lǐng)域,這些器件的表面質(zhì)量直接決定了半導(dǎo)體等核心部件的工作性能。軟性磨粒流加工作為一種低粘性流體光整方法已成功應(yīng)用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)曲面的柔性光整,但是該方法受到加工工具及裝備結(jié)構(gòu)限制無法進(jìn)一步提升近壁面湍流強(qiáng)度,在面向上述硬脆性材料時加工效率較低。鑒于軟性磨粒流加工方法的技術(shù)優(yōu)勢,解決其在信息材料加工領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。針對上述問題,本文提出一種基于氣泡增強(qiáng)效應(yīng)的氣-液-固磨粒流加工方法。首先對近壁面三相磨粒流運(yùn)動進(jìn)行分析,建立氣泡誘導(dǎo)增強(qiáng)下的湍流模型;在此基礎(chǔ)上對磨粒-壁面接觸效應(yīng)、單氣泡運(yùn)動過程、氣-液-固三相磨粒流運(yùn)動展開理論建模,進(jìn)而采用數(shù)值求解方法研究三相磨粒流加工特性;最后,通過粒子圖像測速方法對三相磨粒流場進(jìn)行觀測研究,并通過對比加工實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證加工方法的有效性。本文具體內(nèi)容如下:(1)基于流體分層理論開展近壁區(qū)三相磨粒流最優(yōu)運(yùn)動形態(tài)分析,建立能夠準(zhǔn)確描述氣泡誘導(dǎo)增強(qiáng)的流體湍流模型。在此基礎(chǔ)上從三個角度展開三相磨粒流建模:基于計(jì)算流體力學(xué)和離散單元耦合(CFD-DEM)建立旋流狀態(tài)下的磨粒流運(yùn)動模型;分析約束流道內(nèi)氣泡潰滅特性,建立單氣泡界面追蹤模型;考慮到微尺度氣泡潰滅引起的尺度變化,采用計(jì)算流體力學(xué)和群體平衡模型耦合(CFD-PBM)建立三相磨粒流運(yùn)動模型。最后對磨粒進(jìn)行受力分析,進(jìn)而對近壁區(qū)三相磨粒流加工機(jī)理進(jìn)行研究。(2)建立旋流流道離散元模型,采用壓力耦合的半隱相容算法求解CFD-DEM耦合方程組,得到旋流場內(nèi)的磨粒-壁面碰撞動態(tài)分布與演化規(guī)律。在此基礎(chǔ)上研究不同流態(tài)下的磨粒-壁面沖擊特性,研究流道關(guān)鍵尺度及流體粘性對磨粒-壁面碰撞分布及材料去除分布產(chǎn)生的影響,結(jié)果表明入口直徑是影響磨粒-壁面碰撞均勻性的關(guān)鍵因素,隨著直徑的增大,碰撞分布存在最優(yōu)值;當(dāng)磨粒流處于不同流態(tài)時,流體粘度對材料去除作用原理不同,低粘度流體下材料去除均勻性有明顯提升。(3)從微觀及宏觀兩方面展開微尺度氣泡在約束流道內(nèi)的增強(qiáng)效應(yīng)研究。在微觀方面,基于流道相似準(zhǔn)則簡化三維旋流流道,進(jìn)而對氣泡界面追蹤模型進(jìn)行數(shù)值求解,研究單個氣泡在流道內(nèi)的運(yùn)動、變形、潰滅過程,在此基礎(chǔ)上量化分析射流強(qiáng)度及流體粘性之間的關(guān)系;在宏觀方面,對CFD-PBM耦合方程進(jìn)行三維數(shù)值求解,采用氣泡尺度分布間接描述氣泡群潰滅場分布,并研究流體粘性對潰滅分布及磨粒湍動能、磨粒動壓等關(guān)鍵加工特性產(chǎn)生的影響。結(jié)果表明氣泡潰滅射流能有效增強(qiáng)局部磨粒切削動能;低粘性流體下氣泡潰滅射流更易發(fā)展;約束流道入口位置氣泡潰滅最為劇烈,通過設(shè)計(jì)旋流流道結(jié)構(gòu),可實(shí)現(xiàn)工件表面針對性區(qū)域加工。(4)以數(shù)值分析結(jié)果為基礎(chǔ),進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。通過二維粒子圖像測速法對近壁面局部三相磨粒流及宏觀三相磨粒旋流進(jìn)行測速分析,結(jié)果表明近壁面湍流渦尺度及方向呈隨機(jī)分布;氣泡注入后局部粒子速度得到明顯提升,基本處于15.00 m/s至17.00 m/s,最高速度可達(dá)20.00 m/s;宏觀流場速度分布與模擬結(jié)果一致,呈現(xiàn)渦流低速區(qū)、速度增強(qiáng)區(qū)及速度耗散區(qū)。搭建三相磨粒旋流循環(huán)加工實(shí)驗(yàn)平臺,進(jìn)行對比加工實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,并采用油漆流態(tài)顯示法證明渦旋流場的有效性,結(jié)果表明氣泡增強(qiáng)效應(yīng)可有效提高磨粒流加工效率,加工后平均粗糙度達(dá)到2.84 nm;通過與相同目數(shù)磨粒接觸式加工對比,三相磨粒流加工可有效減小磨粒硬性壓入造成的表面損傷。
【學(xué)位單位】：浙江工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TN305
【部分圖文】：

第 1 章 緒 論磨粒及雜質(zhì)的粒徑尺寸不一致問題，容易引起磨粒受力不均，進(jìn)而導(dǎo)致工件表面出現(xiàn)加工變質(zhì)層及亞表面損傷[26,27]；并且，CMP 采用的腐蝕劑易對環(huán)境造成污染，拋光廢液處理成本較高[28,29]。流體拋光方法則采用柔性較好的流體作為磨粒的驅(qū)動介質(zhì)，當(dāng)有大尺度磨粒沖擊工件表面時，流體可較好的緩沖過沖擊效應(yīng)，從而有效避免由于磨粒的硬性壓入而造成工件損傷[30]。除此之外，由于流體形態(tài)的不確定性，使之能夠適應(yīng)非規(guī)則曲率變化的工件表面，實(shí)現(xiàn)全方位的表面光整[31-35]。(a) 大規(guī)模集成電路 (b) 激光聚變實(shí)驗(yàn)平臺

加工原理如圖 1-2 所示。AFM 最初用于飛機(jī)關(guān)鍵部位閥門和閥芯的去毛刺和帶孔的倒圓，后逐漸應(yīng)用于飛機(jī)渦輪葉片拋光、醫(yī)療植入部件光整、模具拋光等各43-46]。自從 Tom K 在 1989 年首次提出 AFM 后，諸多學(xué)者展開了深入研究[47]。Go 等人通過對比加工實(shí)驗(yàn)研究了擠壓力及磨粒濃度等工藝參數(shù)對材料去除、表面、切削力及有效磨粒密度的影響，得到了不同工藝參數(shù)和表面粗糙度之間的變化9]。Jain R K 等人研究了采用碳化硅磨粒流加工時的材料去除機(jī)理，同時進(jìn)行了數(shù)研究，通過針對性的改變工藝參數(shù)可精確控制加工后表面形態(tài)[50]，并通過有限研究磨粒載體和加工介質(zhì)粘滯性變化對工件材料去除量的影響[51]。Fang L 等人磨削溫度變化對磨粒流加工產(chǎn)生的影響，討論了溫度和粘度的變化關(guān)系并進(jìn)行了擬[52]。Uhlmann E 等學(xué)者研究了先進(jìn)陶瓷材料的加工過程，得到了加工時長和工平均粗糙度之間的關(guān)系，通過建立加工過程模型研究了陶瓷導(dǎo)線器寬度變化與加的關(guān)系[53]。Sankar M R 等人研究了螺旋式磨粒流的加工特性，通過加工不同材質(zhì)金，得到了工件旋轉(zhuǎn)速度、加工次數(shù)、擠壓壓力、介質(zhì)油百分含量與表面粗糙度系[54]。

MRF 是利用磁流變拋光液在磁場中的流變特性進(jìn)行拋光。在高強(qiáng)度磁場內(nèi)，磁拋光液會形成緞帶凸起的粘塑性 Bingham 介質(zhì)，當(dāng)這種介質(zhì)經(jīng)過微小縫隙時，在工面會形成很大的剪切應(yīng)力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)工件表面材料去除，加工原理如圖 1-3 所示。 Suzuki H 等人提出 MRF 技術(shù)后，國內(nèi)外諸多學(xué)者對其加工機(jī)理、加工工藝等展開入研究[55,56]。Seok J W 等人采用 MRF 技術(shù)對直角結(jié)構(gòu)工件進(jìn)行加工，并采用表面法對工件形貌進(jìn)行預(yù)測，進(jìn)而采用已知的實(shí)驗(yàn)參數(shù)以及二階回歸模型對工件結(jié)構(gòu)面模擬分析，以此分析結(jié)果為基礎(chǔ)，對工件進(jìn)行拋光[57]。中科院長春光機(jī)所張峰等人在國內(nèi)展開了 MRF 材料去除機(jī)理及去除函數(shù)模型研究，并制備了磁流變原理樣機(jī)[防科技大學(xué)彭小強(qiáng)等人對磁場設(shè)計(jì)和磁場力進(jìn)行了分析，并對循環(huán)系統(tǒng)和材料去除進(jìn)行了研究[59]。之后國防科大研究小組在李圣怡等人的帶領(lǐng)下，開展了 MRF 在光件加工中的應(yīng)用基礎(chǔ)研究，基于 Preston 方程建立了材料去除模型，并通過平面鏡實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性[60]。MRF 具有加工效率高、去除函數(shù)穩(wěn)定等顯著特點(diǎn)，成為一種確定性的曲面零件超精密加工方法，但該方法存在加工成本高、磁性磨粒復(fù)雜等缺點(diǎn)，一定程度上限制了其發(fā)展和應(yīng)用[61]。
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2874732