【摘要】：面向納米薄膜生長襯底的原子級超光滑表面要求,提出了液動壓均勻分布的懸浮拋光新方法。該方法的核心技術是采用拋光液浸沒工件的方式,適當粘度的拋光液在楔形拋光工具盤的旋轉驅動下,快速通過間隙收斂的液楔,形成液動壓使拋光工具懸浮,保持了磨粒與工件表面處于非接觸狀態(tài);同時構建了流場的約束邊界,使工件在流體剪切應力和液動壓力穩(wěn)定區(qū)完成拋光加工。本論文采用理論計算和仿真計算對液動壓懸浮流場進行研究,探索約束邊界和楔形流道結構參數(shù)對均勻液動壓力和承載能力的影響規(guī)律,建立液動壓懸浮拋光中磨粒與工件的碰撞模型,揭示了工件表面應力松弛機理,利用設計的懸浮拋光機床對單晶銅工件進行拋光實驗,測試工件表面形貌和殘余應力。1.為便于理論分析,將液動壓懸浮拋光流場簡化為二維結構化流場和平行旋轉圓盤流場�；诹黧w動力潤滑理論,推導了二維結構化流場的壓力公式和承載能力公式,利用MATLAB對壓力公式和承載能力公式進行計算。計算結果表明,液動壓懸浮拋光中約束邊界的設計提高了平行區(qū)域的壓力大小和均勻性以及流場的承載能力;斜面占長比r、斜面升高比b對壓力大小影響平行區(qū)域的壓力大小和均勻性以及流場的承載能力,且當r=0.8,b=1.2時,承載能力達到最大。2.推導了平行旋轉圓盤流場中的速度公式和壓力公式,并對此進行分析。分析結果表明,拋光液的速度是由切向速度和徑向速度共同組成,切向速度遠大于徑向速度。整個流場的拋光液流動是由剪切流動和徑向輻射流動疊加而成的螺旋流。在平行圓盤流場中,壓力隨著半徑的增大而增大,最中心處壓力最小且為負壓。3.利用計算流體力學(CFD)方法對液動壓懸浮三維流場進行數(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的壓力曲線的變化趨勢高度一致,但在單元流場的入口和出口處出現(xiàn)負壓。4.利用ABAQUS建立了液動壓懸浮拋光中磨粒與工件的碰撞模型,通過在工件上施加預應力的方式來替代由機械研磨加工而產生的殘余應力,分析單顆磨粒和多顆磨粒撞擊該工件表面產生的殘余應力松弛效應。結果表明,隨著磨粒速度的提高,工件表面的殘余應力松弛效率越高,但應力松弛區(qū)域的應力不均勻性增加;隨著撞擊次數(shù)的增加,工件表面的殘余應力減小到一個穩(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速基本成正相關關系,因此通過提高加工轉速可以提高工件表面的應力松弛效果。5.以單晶銅為加工對象,利用研制的液動壓懸浮拋光機床制備超光滑表面試樣,并通過VEECCO NT白光干涉儀、SEM、TEM等表征銅試樣,與傳統(tǒng)機械拋光加工、動壓浮離拋光加工的試樣進行對比,結果表明液動壓懸浮拋光較傳統(tǒng)機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。
【學位授予單位】：浙江工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TG175;TG146.11
【圖文】：

鑒國內外專家相關研究成果和上述分析的啟發(fā)，課題組面向應用于納米薄級超光滑襯底拋光制備，提出了液動壓懸浮拋光新方法，如圖 1-6(a)所示的原理和特點為：采用拋光液浸沒工件的方式，適當粘度的拋光液在楔形轉驅動下，快速通過間隙收斂的液楔，形成液動壓使拋光工具盤懸浮，保件表面處于非接觸狀態(tài)；構建了流場的約束邊界，使工件在流體剪切應力定區(qū)完成拋光加工。液動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，同時又含有這些方法所不具備的優(yōu)點，液動壓懸浮拋境”、“動壓懸浮”和“均勻壓力分布”等特征。(a)液動壓懸浮拋光(b)浮法拋光

液動壓懸浮拋光工具盤表面結構俯視圖D1：拋光工具盤內徑；D2：拋光工具盤外徑

拋光工具盤和容器間的二維結構化流場13(b)

【參考文獻】

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本文編號：2767600