【摘要】：面向納米薄膜生長(zhǎng)襯底的原子級(jí)超光滑表面要求,提出了液動(dòng)壓均勻分布的懸浮拋光新方法。該方法的核心技術(shù)是采用拋光液浸沒工件的方式,適當(dāng)粘度的拋光液在楔形拋光工具盤的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)下,快速通過(guò)間隙收斂的液楔,形成液動(dòng)壓使拋光工具懸浮,保持了磨粒與工件表面處于非接觸狀態(tài);同時(shí)構(gòu)建了流場(chǎng)的約束邊界,使工件在流體剪切應(yīng)力和液動(dòng)壓力穩(wěn)定區(qū)完成拋光加工。本論文采用理論計(jì)算和仿真計(jì)算對(duì)液動(dòng)壓懸浮流場(chǎng)進(jìn)行研究,探索約束邊界和楔形流道結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)均勻液動(dòng)壓力和承載能力的影響規(guī)律,建立液動(dòng)壓懸浮拋光中磨粒與工件的碰撞模型,揭示了工件表面應(yīng)力松弛機(jī)理,利用設(shè)計(jì)的懸浮拋光機(jī)床對(duì)單晶銅工件進(jìn)行拋光實(shí)驗(yàn),測(cè)試工件表面形貌和殘余應(yīng)力。1.為便于理論分析,將液動(dòng)壓懸浮拋光流場(chǎng)簡(jiǎn)化為二維結(jié)構(gòu)化流場(chǎng)和平行旋轉(zhuǎn)圓盤流場(chǎng)�；诹黧w動(dòng)力潤(rùn)滑理論,推導(dǎo)了二維結(jié)構(gòu)化流場(chǎng)的壓力公式和承載能力公式,利用MATLAB對(duì)壓力公式和承載能力公式進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明,液動(dòng)壓懸浮拋光中約束邊界的設(shè)計(jì)提高了平行區(qū)域的壓力大小和均勻性以及流場(chǎng)的承載能力;斜面占長(zhǎng)比r、斜面升高比b對(duì)壓力大小影響平行區(qū)域的壓力大小和均勻性以及流場(chǎng)的承載能力,且當(dāng)r=0.8,b=1.2時(shí),承載能力達(dá)到最大。2.推導(dǎo)了平行旋轉(zhuǎn)圓盤流場(chǎng)中的速度公式和壓力公式,并對(duì)此進(jìn)行分析。分析結(jié)果表明,拋光液的速度是由切向速度和徑向速度共同組成,切向速度遠(yuǎn)大于徑向速度。整個(gè)流場(chǎng)的拋光液流動(dòng)是由剪切流動(dòng)和徑向輻射流動(dòng)疊加而成的螺旋流。在平行圓盤流場(chǎng)中,壓力隨著半徑的增大而增大,最中心處壓力最小且為負(fù)壓。3.利用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)方法對(duì)液動(dòng)壓懸浮三維流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬,分析了工件加工區(qū)域的流體壓力分布和磨粒速度分布。結(jié)果表明,約束邊界提高了平行區(qū)域的流體壓力大小和均勻性。沿著周向方向的壓力曲線和理論推導(dǎo)的壓力曲線的變化趨勢(shì)高度一致,但在單元流場(chǎng)的入口和出口處出現(xiàn)負(fù)壓。4.利用ABAQUS建立了液動(dòng)壓懸浮拋光中磨粒與工件的碰撞模型,通過(guò)在工件上施加預(yù)應(yīng)力的方式來(lái)替代由機(jī)械研磨加工而產(chǎn)生的殘余應(yīng)力,分析單顆磨粒和多顆磨粒撞擊該工件表面產(chǎn)生的殘余應(yīng)力松弛效應(yīng)。結(jié)果表明,隨著磨粒速度的提高,工件表面的殘余應(yīng)力松弛效率越高,但應(yīng)力松弛區(qū)域的應(yīng)力不均勻性增加;隨著撞擊次數(shù)的增加,工件表面的殘余應(yīng)力減小到一個(gè)穩(wěn)定值而不發(fā)生變化,且速度越高,穩(wěn)定值越小。磨粒速度與拋光工具盤轉(zhuǎn)速基本成正相關(guān)關(guān)系,因此通過(guò)提高加工轉(zhuǎn)速可以提高工件表面的應(yīng)力松弛效果。5.以單晶銅為加工對(duì)象,利用研制的液動(dòng)壓懸浮拋光機(jī)床制備超光滑表面試樣,并通過(guò)VEECCO NT白光干涉儀、SEM、TEM等表征銅試樣,與傳統(tǒng)機(jī)械拋光加工、動(dòng)壓浮離拋光加工的試樣進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果表明液動(dòng)壓懸浮拋光較傳統(tǒng)機(jī)械拋光可獲得表面粗糙度更小、表面形貌及晶格完整性更好的超光滑表面。
【學(xué)位授予單位】：浙江工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TG175;TG146.11
【圖文】：

鑒國(guó)內(nèi)外專家相關(guān)研究成果和上述分析的啟發(fā)，課題組面向應(yīng)用于納米薄級(jí)超光滑襯底拋光制備，提出了液動(dòng)壓懸浮拋光新方法，如圖 1-6(a)所示的原理和特點(diǎn)為：采用拋光液浸沒工件的方式，適當(dāng)粘度的拋光液在楔形轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)下，快速通過(guò)間隙收斂的液楔，形成液動(dòng)壓使拋光工具盤懸浮，保件表面處于非接觸狀態(tài)；構(gòu)建了流場(chǎng)的約束邊界，使工件在流體剪切應(yīng)力定區(qū)完成拋光加工。液動(dòng)壓懸浮拋光匯聚浴法拋光、浮法拋光、彈性發(fā)射離拋光的一些特征，同時(shí)又含有這些方法所不具備的優(yōu)點(diǎn)，液動(dòng)壓懸浮拋境”、“動(dòng)壓懸浮”和“均勻壓力分布”等特征。(a)液動(dòng)壓懸浮拋光(b)浮法拋光

液動(dòng)壓懸浮拋光工具盤表面結(jié)構(gòu)俯視圖D1：拋光工具盤內(nèi)徑；D2：拋光工具盤外徑

拋光工具盤和容器間的二維結(jié)構(gòu)化流場(chǎng)13(b)

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2767600