蓝宝石光学曲面柱形宽缎带磁流变抛光仿真分析及实验研究

目的针对目前光滑无损伤光学曲面蓝宝石加工成本高、效率低的问题,对加工过程中磁流变抛光缎带进行流体仿真,进而优化抛光轮表面结构。方法设计并提出3种表面结构柱形宽缎带磁流变抛光轮,介绍了磁流变抛光轮加工的基本原理,建立了磁流变抛光垫Bingham流体特性加工仿真模型,分析了3种抛光轮表面结构对工件表面磁通密度模、流场流速、流场压力分布的影响。同时对3种抛光轮的抛光效果进行了实验探究,探究了抛光轮表面结构对材料去除率和抛光后表面粗糙度的影响规律。结果仿真结果表明,抛光轮表面槽型结构具有能增强磁通密度模、增大流体流速和流体压力的特性。实验结果表明,螺旋槽抛光轮的抛光效果最好,在螺旋抛光轮作用下,材料去除率为0.22mg/h,抛光后蓝宝石表面粗糙度为1.08nm。最终抛光轮近壁区总压力和速度的乘积结果与抛光轮实验去除率结果具有较好的一致性。结论槽型结构可以提高抛光液在抛光轮表面的固着效果,影响工件表面流场运动状态,增强工件表面受到抛光垫的作用力。相较于光滑和横条槽抛光轮,螺旋槽抛光轮的抛光效率最高,表面粗糙度最低,可有效提高抛光效果。

蓝宝石玻璃超声振动辅助磨削试验研究

为了探究烧结磨头不同磨头参数和磨削参数对蓝宝石玻璃磨削特性的影响,综合考虑了磨头粒度号、主轴转速、进给速度、磨削深度等因素,设计并开展了非超声和超声振动辅助磨削加工试验,研究了上述因素对蓝宝石磨削表面粗糙度、表面形貌及磨削力的影响。结果表明,超声和非超声磨削工况中,磨头粒度号增大对磨削力和表面粗糙度的影响整体均呈现先增大后减小的趋势。不同磨头粒度号工况下的超声磨削力和表面粗糙度普遍小于非超声结果,磨削力最大降幅为27.2%,表面粗糙度最大降幅为18.6%;采用粒度号200/230#的磨头进行磨削,可获得相对较小的切削力和表面粗糙度,是研究工况下的最佳粒度号,而140/170#的使用效果最差。相比于非超声磨削,超声可在所选的主轴转速、进给速度和磨削深度条件下实现磨削力和表面粗糙度不同程度的降低,在小主轴转速和小磨削深度工况下,超声磨削对蓝宝石表面质量的改善作用更显著。

蓝宝石高温弹性模量的理论计算和实验测量

蓝宝石因其良好的透光性和高温稳定性而成为光纤式高温压力传感器的理想结构材料。蓝宝石在高温下弹性模量的变化与其高温压力测量的准确性密切相关,因此获取高温条件下蓝宝石的弹性模量是设计和制备高温压力传感器的必要前提条件。基于高温原位XRD测试得到不同温度下蓝宝石的晶胞参数,然后利用第一性原理对蓝宝石的弹性性能进行了理论计算,得到蓝宝石高温情况下的弹性刚度矩阵和柔度矩阵。同时基于脉冲激振法,测量了室温至1200℃范围内不同取向蓝宝石样品的弹性模量,验证了理论计算结果的准确性。理论计算及实验结果均表明:随着温度的升高,蓝宝石的弹性模量减小,并且不同晶向之间存在显著差异。所获取蓝宝石的高温弹性模量数据可为相关高温压力传感器的设计提供基础数据参考。

蓝宝石晶体纳米压入本构方程

应用有限元方法(FEM)结合神经网络优化及无量纲模型,建立了可统一描述蓝宝石不同晶面纳米压入行为的本构方程。采用纳米压痕方法对蓝宝石晶体的四个典型晶面(C、A、R、M)的表面微力学行为进行了研究,本构方程计算结果与实测结果对比表明:加载、卸载曲线均可由压入深度h的二次函数表达;加载曲线是压入面弹性模量E、屈服应力Y和加工硬化指数n的函数,卸载曲线则除此三个因素之外还与卸载位置(最大深度)h_(max)有关;对同一晶面而言,残余深度hr正比于h_(max),塑性功正比于h_(max)的三次方。结果还表明,对蓝宝石晶体这类难以应用常规力学性能试验研究手段的超硬高脆材料,利用本构方程结合纳米压痕试验,可以比较有效地获得其基本力学性能。

我国1000 kg级超大蓝宝石晶体生长技术取得重要突破

天通控股股份有限公司、天通银厦新材料有限公司近年来一直致力于突破大尺寸蓝宝石晶体生长和大尺寸蓝宝石衬底片的加工制备技术。此次研发的1000 kg级蓝宝石晶体,可实现直径700 mm以上的光学级晶片或最大尺寸780 mm×550 mm蓝宝石窗口片的产出,填补国内大尺寸高品质光学窗口的应用需求。同时将助力Mini/Micro LED领域所需大口径衬底材料的技术突破,在智能终端应用方面具有显著的品质和成本优势。

蓝宝石/石墨烯衬底上蓝光LED外延生长及光电性能

对在蓝宝石/石墨烯衬底上生长LED(Light-emitting diodes)外延的方法及其对光电性能的改善进行了探究。研究结果表明,蓝宝石/石墨烯衬底具有更低的位错密度,螺位错和刃位错比传统样品分别减少了15.3%和70.8%。拉曼测试也表明蓝宝石/石墨烯样品受到的压应力小于传统样品。元素分析结果表明,有源区量子阱生长情况较好,In和Ga元素均匀地分布在量子阱中,未发生相互扩散的情况。光电性能测试结果发现,无论是在工作电流还是饱和电流下,蓝宝石/石墨烯样品的LOP(Light output power)都大于传统样品,工作电流和饱和电流下LOP分别增加了18.4%和36.7%,并且效率下降较传统样品有所改善,相较于传统样品效率下降减少了9.9%。从变温测试结果可以得到,蓝宝石/石墨烯样品也表现出较低的热阻、结温和较小的波长偏移,其平均热阻比传统样品低了5.14℃/W。结果表明,在蓝宝石/石墨烯衬底上外延生长的样品对器件的光电性能和散热性能等都有较大的提升。

冲击加载下蓝宝石力热耦合响应的分子动力学模拟

蓝宝石因其出色的强度、硬度和光学透明度,常被选为冲击波实验中的观测窗口。深入了解蓝宝石在冲击载荷下的力学和热力学响应机制以及内部损伤原因,对准确评估其性能和稳定性至关重要。利用分子动力学模拟,从原子层面探讨蓝宝石单晶在沿(0001)晶面(C面)冲击作用下的力热响应行为。模拟结果表明,蓝宝石C面冲击作用下激活的滑移系为基于R面{0112}的菱形面滑移。冲击速度为1~3 km/s时未出现滑移现象,冲击速度为4 km/s时出现菱形面滑移,冲击速度为5~6 km/s时试样出现以不规则条带为主的非均匀形变。研究表明,蓝宝石滑移系的激活不仅依赖其晶格结构,还需分剪切应力达到临界值。温度场的分析结果表明,局域温升与滑移之间存在对应关系,剪切应变集中区域的温度较高。

太赫兹回旋管蓝宝石输能窗的设计及实验

针对170 GHz兆瓦级回旋管短脉冲实验对蓝宝石输能窗的实际要求,分析了蓝宝石窗传输高斯波束的反射和吸收特性,优化设计了低反射、低损耗蓝宝石输能窗的工程方案。对研制的蓝宝石窗部件进行微波冷测,驻波比(VSWR)小于1.1,验证了蓝宝石窗的低反射特性;计算结果表明该结构的最大输出平均功率阈值为590 W。对使用该蓝宝石窗研制的170 GHz回旋管进行测试,验证了理论计算的功率阈值,为大功率回旋管蓝宝石输能窗的实际应用提供了依据。

工艺参数对浸没式直流介电泳辅助化学机械抛光蓝宝石晶片的影响

目的为了实现蓝宝石晶片的高效超光滑表面加工,提出浸没式直流介电泳辅助化学机械抛光方法,研究该方法对蓝宝石晶片的加工适应性。方法搭建了浸没式直流介电泳辅助化学机械抛光系统,通过单因素实验探究接入电压、工件及抛光盘转速、偏摆移动速度、抛光时间及抛光垫类型对蓝宝石晶片的加工效果,并深入分析负介电泳效应对CMP加工过程的影响。结果直流介电泳辅助CMP方法可以显著提高蓝宝石晶片的抛光效果,在2000V的接入电压下,化学机械抛光的材料去除率MRR提高了99.97%,达到了7.53nm/min,表面粗糙度Ra降低至2.51nm,工件表面划痕数量明显减少。工件及抛光盘转速、偏摆移动速度的提升都会使抛光MRR和Ra先升后降,带槽的抛光垫对介电泳效应控制磨料起促进作用。各个因素的影响对提高有效磨料数起交互作用,负介电泳效应促使磨料聚集在抛光垫表面,而工件与抛光垫的相对运动促使磨料更新循环。结论采用接入电压2000 V、工件及抛光盘转速80 r/min、偏摆速度60 r/min,在精抛垫下抛光蓝宝石晶片90 min,可以获得表面粗糙度Ra为0.953 nm的光滑表面。

蓝宝石衬底CMP中氧化硅磨粒粒度分布对抛光液体系性能影响研究

目的 化学机械抛光(CMP)包含化学腐蚀和机械磨削两方面,抛光液p H、磨粒粒径和浓度等因素均会不同程度地影响其化学腐蚀和机械磨削能力,从而影响抛光效果。方法 采用30~150 nm连续粒径磨粒抛光液、120 nm均一粒径磨粒抛光液、50 nm和120 nm配制而成的混合粒径磨粒抛光液,分别对蓝宝石衬底晶圆进行循环CMP实验,研究CMP过程中抛光液体系的变化。结果 连续粒径磨粒抛光液中磨粒大规模团聚,满足高材料去除率的抛光时间仅有4 h,抛光后的晶圆表面粗糙度为0.665 nm;均一粒径磨粒抛光液中磨粒稳定,无团聚现象,抛光9 h内材料去除率较连续粒径磨粒抛光液高94.7%,能至少维持高材料去除率18 h,抛光后的晶圆表面粗糙度为0.204 nm;混合粒径磨粒抛光液初始状态下磨粒稳定性较高,抛光9 h内材料去除率较连续粒径磨粒抛光液高114.8%,之后磨粒出现小规模团聚现象,后9h材料去除率仅为均一粒径磨粒抛光液的59.6%,18 h内材料去除率仅为均一粒径磨粒抛光液的87.7%,但抛光后的晶圆表面粗糙度为0.151 nm。结论 一定时间内追求较高的材料去除率和较好的晶圆表面粗糙度选用混合粒径磨粒抛光液,但需要长时间CMP使用均一粒径磨粒抛光液更适合,因此,在工业生产中需要根据生产要求配合使用混合粒径磨粒抛光液和均一粒径磨粒抛光液。

结构化砂轮磨削蓝宝石微沟槽底面质量的研究

针对蓝宝石这类超硬材料表面微结构难加工的问题,提出一种基于结构化砂轮的磨削表面微结构方法.采用电火花线切割(Wire Electrical Discharge Machining,WEDM)技术对砂轮表面进行结构化修整,利用修整后的结构化砂轮磨削蓝宝石表面微结构,研究顺磨和逆磨方式下,结构化砂轮磨削速度、磨削深度和进给速度对蓝宝石微沟槽底部表面粗糙度的影响规律.研究结果表明,结构化砂轮磨削蓝宝石表面微沟槽形貌基本完整,且相对120µm的加工深度,尺寸误差仅为1.4µm,微沟槽的垂直度较好,垂直度偏差仅为4.9°;顺、逆磨方式下,随着磨削速度增大,磨削深度和进给速度减小,都可以减小蓝宝石微沟槽底部表面粗糙度;相较于逆磨方式,顺磨方式下微沟槽底面微坑较小,底面质量更优;在较优加工参数砂轮磨削速度35m/s、磨削深度1µm、工件进给速度200mm/min下,表面粗糙度从4.487µm降低至2.923µm.

激光诱导等离子体加工蓝宝石微结构及其润湿性

激光诱导等离子体刻蚀技术在蓝宝石表面微结构制作方面具有独特的优势。通过控制变量法研究了激光能量密度、靶材和蓝宝石之间的距离和扫描速度对激光诱导等离子体加工蓝宝石微槽的微观形貌和几何尺寸的影响规律。通过正交试验研究了激光诱导等离子体工艺参数对蓝宝石表面微结构接触角的影响,发现扫描线间距对接触角的影响最大,靶材和蓝宝石之间的距离和激光能量密度次之,扫描速度的影响最小。当激光能量密度为6.3 J/cm^(2),扫描线间距为200μm,靶材和蓝宝石之间的距离为150μm,扫描速度为10 mm/s时,蓝宝石表面微结构的接触角为136°,表现出良好的疏水性;当激光能量密度为7.4 J/cm^(2),扫描线间距为50μm,靶材和蓝宝石之间的距离为100μm,扫描速度为5 mm/s时,蓝宝石表面微结构的接触角为29°,具有较好的亲水性,并且长时间放置后表面接触角基本保持不变。通过扫描电镜观察发现,蓝宝石表面的微结构上分布着许多纳米颗粒,这些微纳结构共同影响蓝宝石的润湿性。

气囊抛光蓝宝石弧面研究分析

随着国防军工和LED产业发展,对蓝宝石衬底的需求和形状复杂度的要求逐步提升。蓝宝石传统抛光方式如化学机械抛光存在效率低、曲面加工效果不佳等问题,而气囊抛光作为快速抛光方式之一,适用于各种曲面的抛光,故将气囊抛光技术应用于蓝宝石弧面抛光。首先基于机器人平台建立抛光运动模型,随后通过单因素试验和正交试验得到较优工艺参数,最后在较优工艺参数下进行整弧面抛光并探究抛光时间对蓝宝石表面质量的影响。结果表明,抛光时间为8 min时,工件弧面表面粗糙度Ra从541.5 nm下降至41.2 nm并成功保形,验证了气囊抛光蓝宝石弧面的工艺可行性。

多线摇摆往复式线锯切割蓝宝石法向力试验研究

多线摇摆往复式线锯切割加工是目前将蓝宝石晶棒切割成晶圆衬底的主要加工方法,加工过程中法向切割力是反映加工过程稳定性的重要指标。测量了多线摇摆往复式线锯切割蓝宝石晶棒过程中产生的法向力F_(n),跟踪了晶棒不同位置和不同切割深度下法向力的变化规律,以法向力变化幅值ΔF_(n)为指标,探究各种工艺参数对加工过程稳定性的影响。试验结果表明:法向力F_(n)与线锯的往复运动、工件的摇摆运动有明确的对应关系,晶棒前端的ΔF_(n)与中后端的有明显的不同。线速度V_(s)、最大摇摆角度θ_(max)、单片耗线量M_(d)、张紧力F_(w)、总切割时间T等工艺参数对ΔF_(n)有着不同的影响。ΔF_(n)的波动程度与线锯磨损有着密切的关系。

新疆阿尔泰库吉尔特伟晶岩海蓝宝石矿物化学研究

海蓝宝石属绿柱石族矿物,产出于花岗伟晶岩中,其结晶过程可贯穿于伟晶质岩浆演化的不同阶段,同时也是岩浆熔体和流体包裹体的重要宿主矿物。库吉尔特伟晶岩是新疆阿尔泰可可托海地区众多伟晶岩脉中产出高质量海蓝宝石的LCT型伟晶岩。本文对库吉尔特伟晶岩中产出的海蓝宝石进行了主、微量元素和流体包裹体研究。流体包裹体岩相学显示,在海蓝宝石中熔体/熔体-流体包裹体(MI/M-FI)和流体包裹体(FI)分布呈现一定的规律,MI/M-FI主要集中在晶体的根部至中部,而FI则富集在边缘区域,说明该海蓝宝石的结晶过程经历了较为完整的伟晶岩岩浆演化阶段。测温结果显示,M-FI的均一温度>550℃,FI的均一温度范围为220~400℃,盐度介于0~14%之间,密度为0.6~0.9 g/cm^(2),流体属于中-高温、中-低盐度的H_(2)O-NaCl-CO_(2)体系。在结晶学和流体包裹体岩相学基础上确定出海蓝宝石晶体代表岩浆-热液过渡阶段和岩浆期后热液阶段的部位,进行电子探针(EPMA)和激光剥蚀电感耦合等离子体质谱分析(LA-ICP-MS),结果显示海蓝宝石为Fe元素主导致色,在海蓝宝石生长过程中Fe^(2+)以Na^(+)+Fe^(2+)→Al^(3+)的通道-八面体替代模式进入矿物晶格使其呈现蓝色。在伟晶岩演化早-中期,海蓝宝石中碱金属(Li、Na、K、Cs)与过渡族金属元素(Fe、Mg、Mn)含量变化稳定,进入晚期这些金属元素含量陡增。结合该地区板块运动长期处于挤压俯冲环境,推测库吉尔特伟晶岩岩浆演化过程处于非封闭的状态,晚期仍然有深部岩浆房富集Fe、Mg、Mn的流体呈脉动式注入,导致原始热液流体成分发生波动。

山东昌乐蓝宝石的色带微量元素及成因分析

色带发育是山东昌乐新生代玄武岩中的蓝宝石主要特征之一,其微量元素不仅影响宝石呈色,也对了解蓝宝石成因和母源岩浆具有重要作用。本研究以色带发育的山东昌乐蓝宝石样品为研究对象,利用紫外-可见光吸收光谱、傅里叶变换红外光谱和激光烧蚀电感耦合等离子体质谱对其谱学特征以及化学成分进行研究。结果表明,昌乐蓝宝石样品具有高Fe、Ga,低Mg、Cr的特征,符合岩浆成因蓝宝石的特征;Fe含量随色带颜色深浅呈规律性变化,指示了蓝宝石结晶过程的动荡性。红外吸收光谱可见和-OH有关的3310 cm^(-1)处吸收峰,-OH含量和色带颜色深浅呈正相关,深色色带-OH含量最高,浅色色带-OH含量较低。紫外-可见光谱中,黄色核心部分与Fe^(3+)-Fe^(3+)相关的450 nm处吸收峰较为明显,指示了黄色核心部分为偏氧化条件下产生;蓝色色带部分与Fe^(2+)-Ti^(4+)相关的570 nm处吸收峰较为明显,指示了蓝色色带部分为偏还原条件下产生。

蓝宝石衬底上的半极性面GaN基LED超快激光剥离

衬底导电性和导热性差一直是困扰生长于蓝宝石衬底上的GaN基LED的难题,利用激光剥离技术将蓝宝石衬底上的GaN基LED转移至其他衬底是解决该问题的有效方法之一。本文使用超快皮秒激光将生长于图案化蓝宝石衬底上的半极性面GaN基LED进行衬底剥离,并成功转移至Si衬底,形成垂直结构的LED器件。利用SEM测试发现,当超快激光能量密度在1.3 J/cm^(2)附近可以有效分解蓝宝石和GaN交界层,且对器件产生最小负面损伤。拉曼光谱测试结果表明,剥离后的LED中GaN层的残余应力得到有效释放,从1.42 GPa降低为0.29 GPa。对制备的垂直结构LED进行I-V性能测试,5 V电压下正向电流由0.164 mA增大至0.759 mA,光致发光和电致发光性能均有增强。本文完成了蓝宝石衬底上的半极性面GaN基LED超快激光剥离的实验研究,为实现低损伤、高效率的转移技术的开发提供理论支撑,有望加速半极性面GaN基LED的发展与应用。

X波段低相噪蓝宝石振荡器

设计了一款低相噪蓝宝石振荡器并对其进行温度控制,基于蓝宝石谐振器理论,采用有限元仿真软件完成了蓝宝石谐振器设计。蓝宝石谐振器实测中心频率为9.84 GHz,有载Q值113 000。将该蓝宝石谐振器作为选频网络与放大器、滤波器、移相器和耦合器构成低相噪蓝宝石振荡器。振荡器的输出工作频率9.84 GHz,输出功率9 dBm,偏离载波1 kHz处相位噪声为-117 dBc/Hz,偏离载波10 kHz处相位噪声为-144 dBc/Hz,偏离载波100 kHz处相位噪声为-161 dBc/Hz。该振荡器有助于提高雷达对于低慢小目标的检测能力。

引领行业创新!我国超大蓝宝石长晶研发捷报频传,晶盛机电1000 kg级蓝宝石闪耀登场!

2024年5月14日,浙江晶盛机电股份有限公司(以下简称“晶盛机电”)子公司内蒙古晶环电子材料有限公司最新创新成果——1 000 kg级超大尺寸蓝宝石晶体(见图1)成功问世,晶体高度达800 mm, 底部最大直径650 mm, 腰部最小直径550 mm, 这是继2020年晶盛机电创下750 kg级晶体世界纪录后的再突破(见图2),也代表了晶盛机电在超大尺寸蓝宝石技术与可量产工艺制程方面的信心与实力。

航空发动机蓝宝石光纤测温技术研究

在航空发动机的研制和使用中,温度参数测试技术的研究具有重要意义。因其恶劣的工作环境和狭窄的安装空间,准确高效且耐高温的测试方法非常有限,所以迫切需要研究新的测温技术。近年来,蓝宝石光纤成为高温测试的主流材料,从航空发动机温度测试需求出发,介绍了基于蓝宝石光纤的测温技术,包括光纤光栅测温技术、光纤法珀测温技术、黑体辐射测温技术以及光纤超声测温技术。重点阐述了这些技术的测试原理、测试系统及优缺点,并对其在航空发动机应用的可行性进行了分析,最后对蓝宝石光纤温度测试技术的未来研究方向进行了展望,为后续的研究和应用奠定了基础。