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砷化镓晶体纳米切削损伤形成机理研究

砷化镓晶体纳米切削损伤形成机理研究

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作者：陈程昊天津大学

学位级别：硕士

砷化镓作为典型的III-V族半导体,凭借其优越的光学特性被广泛应用于太赫兹光学、红外光学等领域。为了满足各类光学系统的需求,单晶砷化镓需要被加工出低损伤、高精度的表面或微结构。然而,单晶砷化镓属于脆性材料,其加工过程中极易出... 详细信息

砷化镓作为典型的III-V族半导体,凭借其优越的光学特性被广泛应用于太赫兹光学、红外光学等领域。为了满足各类光学系统的需求,单晶砷化镓需要被加工出低损伤、高精度的表面或微结构。然而,单晶砷化镓属于脆性材料,其加工过程中极易出现脆裂损伤、各向异性损伤差异等问题,严重影响器件的品质与性能。因此,开展对单晶砷化镓的纳米切削损伤形成机理以及高效率、低损伤的加工工艺的研究具有重要意义。本课题基于分子动力学仿真、超精密切削实验以及多种测试表征方法,对单晶砷化镓的纳米切削过程中损伤形成与演化过程进行理论和实验研究,并探索了离子注入表面改性辅助砷化镓纳米切削方法。主要研究内容如下:(1)建立了金刚石刀具与砷化镓间的指数排斥势函数,评估确定了砷化镓纳米切削势函数体系。基于分子动力学仿真建立了单晶砷化镓纳米切削模型。(2)对砷化镓晶体纳米切削表面形成及塑性损伤机制进行研究,获得了切削过程中切削速度与各向异性对亚表面位错分布的影响规律,分析了结构相变、非晶化等塑性损伤以及暂稳相主导的弹性形变。(3)对单晶砷化镓纳米切削裂纹损伤形成过程进行分析,获得了其在不同切削速度与切削厚度下的脆塑转变与损伤演变机理,分析了微裂纹的形成与发展机制。仿真中发现单晶砷化镓已加工表面呈现多晶状态,并得到了实验验证。(4)基于纳米压痕实验对单晶砷化镓的纳米尺度力学性质与受载行为进行了测试,并开展了砷化镓晶体纳米切削实验和测试表征,研究了不同切削负前角对单晶砷化镓脆塑转变深度的影响,表征了其脆塑转变区域的亚表面损伤。(5)基于单点金刚石平面车削实验分析了单晶砷化镓超精密切削中的各向异性特性,并探索了低损伤表面的车削参数。探索了离子注入表面改性对单晶砷化镓纳米切削性能的影响,获得了改性表面的非晶化以及材料脆塑转变深度的提升。

关键词：砷化镓晶体纳米切削损伤机理分子动力学仿真裂纹离子注入改性

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铈镧合金超精密切削机理及工艺研究

铈镧合金超精密切削机理及工艺研究

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作者：赵晨宇天津大学

学位级别：硕士

铈镧合金是我国核能领域以及国防安全领域重要的工程研究替代材料,具有极高的应用价值和研究意义。但是铈镧合金的化学活性高,表面极易氧化腐蚀。有研究表明表面加工质量对表面的耐腐蚀性有着重要的影响,比如低粗糙度的表面以及微结构... 详细信息

铈镧合金是我国核能领域以及国防安全领域重要的工程研究替代材料,具有极高的应用价值和研究意义。但是铈镧合金的化学活性高,表面极易氧化腐蚀。有研究表明表面加工质量对表面的耐腐蚀性有着重要的影响,比如低粗糙度的表面以及微结构可以提升精密部件的抗腐蚀性。因此,获得铈镧合金的纳米级粗糙度表面可以增长铈镧合金部件的使用寿命。但是铈镧合金化学性质极其活泼,加工中极易发生剧烈氧化产生火星,切屑也会自燃,给加工带来极大的安全隐患。目前加工铈镧合金的工艺方法是在自然环境下采用极低的主轴转速但是该工艺方法加工效率低,而且存在切屑自燃的风险,难以保证安全性。因此开展对铈镧合金的纳米切削损伤机理的研究以及改进其加工工艺方法有着重要的意义。本课题基于分子动力学仿真模型,分析了铈镧合金纳米切削亚表面损伤机理,开发了氛围调控辅助加工装置,研究了铈镧合金的超精密加工机理。基于此装置开展了铈镧合金平面超精密车削实验,采用激光共聚焦显微镜、白光干涉仪等多种粗糙度检测手段,探索了铈镧合金的最优工艺参数,实现了铈镧合金低粗糙度无氧化表面的快速加工。主要研究内容如下:(1)建立了铈镧合金的势函数体系,基于分子动力学仿真建立了铈镧合金的纳米切削模型。(2)针对铈镧合金纳米切削机理的研究需求,建立分子动力学切削模型对铈镧合金的塑性变形机制以及亚表面损伤形成进行深入的研究,总结了切削速度和切削深度对位错、相变以及堆垛层错的分布以及塑性变形机制的影响规律。(3)针对铈镧合金加工中易产生氧化起火的现象,开发了氛围调控辅助加工装置,有效抑制了起火的发生,极大的提升了主轴转速,提高了加工效率。研究了铈镧合金超精密加工表面以及切屑的氧化过程,得到了铈镧合金的氧化产物的产生过程。(4)基于超精密车削实验分析了主轴转速对铈镧合金切削结果以及积屑瘤产生情况的影响,探索了最优车削参数,消除了积屑瘤。通过高转速加工实验验证了铈镧合金的加工结果稳定性,高转速下均可获得Ra=13 nm以下的优质加工表面,最优表面粗糙度Ra可以达到5.64 nm。

关键词：铈镧合金纳米切削损伤机理分子动力学超精密加工粗糙度

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