本文選題：SiC陶瓷 + 納米刻劃�。� 參考：《哈爾濱工業(yè)大學(xué)》2016年博士論文

【摘要】：SiC陶瓷具有硬度高、熱膨脹系數(shù)小、比剛度高、耐磨損以及耐腐蝕等優(yōu)點,廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星、航空航天、先進(jìn)武器、空間望遠(yuǎn)鏡等領(lǐng)域。目前,磨削是SiC材料主要的加工方法,盡管針對該材料的磨削加工表面特征及工藝參數(shù)優(yōu)化進(jìn)行了一定的研究,但是關(guān)于該材料的微觀去除機(jī)理和裂紋行為仍然模糊不清。因此,深入研究磨削過程中材料去除機(jī)理和裂紋擴(kuò)展機(jī)制等基礎(chǔ)行為對獲得良好的磨削表面質(zhì)量及較低的亞表面損傷具有重要幫助,然而磨削是一個復(fù)雜的過程,很難直接分析其材料去除行為及表面/亞表面裂紋擴(kuò)展機(jī)制,刻劃實驗是研究材料磨削加工過程中去除行為最常用和有效的方法之一,因此,本文基于刻劃實驗及仿真對硬脆材料的磨削去除過程及裂紋形式進(jìn)行了分析。SiC陶瓷是由SiC顆粒燒結(jié)而成,材料結(jié)構(gòu)復(fù)雜,直接研究難度很大,因此,本文選擇了從單晶到陶瓷以及從塑性去除到脆性去除的研究路線。本文主要通過分子動力學(xué)仿真、有限元仿真以及不同方式的刻劃實驗深入研究了反應(yīng)燒結(jié)SiC陶瓷磨削去除及表面/亞表面裂紋擴(kuò)展機(jī)制。為分析SiC材料在磨削去除過程中的微觀變形及去除機(jī)理,本文利用分子動力學(xué)仿真方法分別研究了兩種常見單晶SiC(6H-SiC和3C-SiC)的微觀動態(tài)去除過程。分析了不同形狀磨粒對SiC材料去除過程的影響,并對未加工區(qū)/已加工區(qū)的晶體結(jié)構(gòu)、鍵長鍵角分布及高壓相變等特征進(jìn)行了分析,為SiC材料磨削加工過程中塑性去除機(jī)理提供了原子尺度的理論解釋。本文通過納米刻劃、FIB及TEM等實驗及檢測手段深入研究了納米尺度下的6H-SiC和3C-SiC的塑性去除機(jī)理,并通過實驗直接證實SiC材料的已加工表面存在非晶相,結(jié)合分子動力學(xué)結(jié)果,系統(tǒng)分析了SiC材料的塑性去除機(jī)理。反應(yīng)燒結(jié)SiC陶瓷是典型的硬脆材料,該材料在磨削過程中很容易出現(xiàn)斷裂甚至是崩碎,深入研究材料斷裂特性及裂紋擴(kuò)展機(jī)理有利于理解加工區(qū)域裂紋分布特征,進(jìn)而對抑制加工損傷提供理論指導(dǎo)。然而,該材料為幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜的多相材料,RBSC復(fù)雜隨機(jī)幾何結(jié)構(gòu)直接決定了該材料斷裂參數(shù)分布的解析解無法獲得。因此,本文采用基于虛擬裂紋閉合技術(shù)的擴(kuò)展有限元方法,建立了考慮RBSC材料結(jié)構(gòu)的三維環(huán)硅及嵌硅模型,分析了材料結(jié)構(gòu)對裂紋尖端斷裂力學(xué)參數(shù)分布及裂紋動態(tài)擴(kuò)展行為的影響。通過刻劃仿真及變載荷的納米刻劃實驗,研究了反應(yīng)燒結(jié)SiC陶瓷磨削過程中的裂紋擴(kuò)展行為及裂紋分布形式,均質(zhì)材料中的劃痕表面/亞表面裂紋形貌規(guī)則,很容易區(qū)分裂紋形式。但是,受到復(fù)雜材料結(jié)構(gòu)的影響,RBSC材料劃痕表面/亞表面裂紋形式復(fù)雜,經(jīng)常出現(xiàn)次生裂紋以及無規(guī)則的微裂紋。本文利用擴(kuò)展有限元仿真方法詳細(xì)分析了刻劃過程中不同形式裂紋的擴(kuò)展過程及分布形式,并對刻劃實驗中表面/亞表面裂紋分布形式給出了合理解釋。綜上所述,本文通過SiC材料多形狀磨�？虅澐抡婕皩嶒�,研究了SiC材料去除機(jī)理及裂紋擴(kuò)展行為,為SiC材料精密/超精密磨削及拋光技術(shù)研究提供有力支撐,對反應(yīng)燒結(jié)SiC陶瓷磨削裂紋擴(kuò)展路徑及分布形式問題給出了合理解釋,該成果為研究降低反應(yīng)燒結(jié)SiC陶瓷磨削表面損傷及亞表面裂紋深度奠定了理論基礎(chǔ)。
[Abstract]:SiC ceramics have the advantages of high hardness, small thermal expansion coefficient, high stiffness, abrasion resistance and corrosion resistance. It is widely used in the fields of satellite, aerospace, advanced weapons, space telescope and so on. At present, grinding is the main processing method of SiC materials, although the surface features and technological parameters of the material are optimized. However, the micro removal mechanism and crack behavior of the material are still unclear. Therefore, it is very important to study the basic behavior of material removal mechanism and crack propagation mechanism in grinding process, which is of great help to obtain good grinding surface quality and lower subsurface damage. However, grinding is a complicated process and is difficult to direct. The removal behavior of material and the mechanism of surface / subsurface crack propagation are analyzed. The experiment is one of the most common and effective methods to study the removal of material in the process of material grinding. Therefore, based on the experiments and simulation, the grinding process and the form of the crack in the hard and brittle materials are analyzed and the.SiC ceramics are sintered by SiC particles. In addition, the material structure is complex and the direct research is very difficult. Therefore, this paper selects the research route from single crystal to ceramic and from plastic removal to brittleness. In this paper, the removal and surface / subsurface of reaction sintering SiC ceramic grinding and surface / subsurface are studied by molecular dynamics simulation, finite element simulation and different mode experiments. In order to analyze the micro deformation and removal mechanism of SiC material during the grinding process, the micro dynamic removal process of two kinds of common crystal SiC (6H-SiC and 3C-SiC) was studied by molecular dynamics simulation method. The effect of different shape abrasive particles on the removal process of SiC material was analyzed, and the unprocessed area / addition was added. The crystal structure, the key angle distribution and the high pressure phase transition are analyzed. The theoretical explanation for the plastic removal mechanism in the grinding process of SiC materials is provided. In this paper, the plastic removal mechanism of 6H-SiC and 3C-SiC in nanoscale is studied by nano scale characterization, FIB and TEM and other experiments and detection methods. The amorphous phase existed on the machined surface of the SiC material was directly confirmed by the experiment. The mechanism of the plastic removal of the SiC material was analyzed systematically with the molecular dynamics results. The reactive sintering SiC ceramics were typical hard and brittle materials. The material was easily broken and even broken and broken during the grinding process. The fracture characteristics and crack expander of the material were deeply studied. It is beneficial to understand the characteristics of the crack distribution in the processing area and provide theoretical guidance for the suppression of the machining damage. However, the material is a complex multi-phase material with a complex geometric structure. The complex random geometric structure of RBSC directly determines the analytical solution of the distribution of the fracture parameters of the material. Therefore, this paper uses the virtual crack closure technique to expand the analytical solution. The finite element method is developed to establish a three dimensional ring silicon and silicon embedded model considering the structure of RBSC material. The effect of the material structure on the distribution of fracture mechanics parameters and the dynamic crack propagation behavior at the crack tip is analyzed. The crack propagation behavior in the reaction burning SiC ceramic grinding process is studied by the simulation and the nano scale experiments of the variable load. Crack distribution, the rule of scratch surface / subsurface crack morphology in homogeneous material, is very easy to distinguish the form of crack. However, under the influence of the complex material structure, the scratch surface / subsurface crack form of RBSC material is complex, secondary cracks and irregular micro cracks often appear. This paper uses the extended finite element simulation method in detail. The expansion process and distribution form of different types of cracks in the process are analyzed, and the distribution of surface / subsurface cracks in the characterization experiment is explained. In summary, the mechanism of SiC material removal and the crack propagation behavior are studied by the simulation and experiment of the multi shape abrasive grain of SiC materials. It is the precision / ultra precision of the SiC material. The research of grinding and polishing technology provides a strong support, and gives a reasonable explanation for the path and distribution of the crack propagation in the reaction sintering SiC ceramics. The result lays a theoretical foundation for the study of reducing the surface damage and the subsurface crack depth of the reaction sintering SiC ceramics.
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TQ174.6

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本文編號：1936952