单颗磨粒刻划氧化镓晶体表面的裂纹成核位置及扩展方向研究

为了分析新一代光电子材料氧化镓晶体在超精密磨削、研磨加工过程中的裂纹成核位置及扩展方向,建立了单颗磨粒刻划氧化镓(010)晶面的弹性应力场模型,分析了氧化镓(010)晶面的脆塑性转变临界切削深度。通过MATLAB软件分析预测刻划氧化镓晶体过程中表面径向裂纹的成核位置及扩展方向,分析结果表明:当切削深度小于临界切削深度时,径向裂纹成核位置在磨粒的后方,裂纹扩展方向与切削方向之间的夹角在33°左右;当切削深度超过临界切削深度时,径向裂纹成核位置进一步向磨粒后方移动,裂纹生成方向与刻划方向之间的夹角在51°左右。为验证理论分析结果,对氧化镓晶体进行了纳米刻划试验,对比分析表明,氧化镓应力场的解析结果与试验数据高度一致。在线性加载条件下,Cube金刚石压头在氧化镓晶体(010)晶面上产生的径向裂纹偏转角在33.37°~51.45°之间。

基于纳米压痕的氧化镓晶体断裂韧度检测方法研究

为了快捷、精准测量脆性易解理氧化镓晶体的断裂韧度,为氧化镓精密加工提供理论依据。采用G200纳米压痕仪对氧化镓晶体进行纳米压痕试验,通过扫描电子显微镜分析压痕形貌,分别采用纳米压痕法、能量法两种方法计算断裂韧度。纳米压痕法测得(010)面氧化镓晶体的断裂韧度为0.769 MPa·m1/2;能量法测得其断裂韧度为0.782 MPa·m1/2。与传统的断裂韧度检测方法相比,基于纳米压痕仪的压痕法和能量法能够微损伤快速检测脆性材料的断裂韧度。能量法是更精准、更便捷的纳米级断裂韧度检测方法。

纳米尺度单晶氧化镓摩擦磨损性能试验研究

目的分析单晶氧化镓在纳米尺度下的摩擦磨损性能,为金刚石磨料对氧化镓晶体的精密研磨加工提供理论依据。方法在G200纳米压痕仪上,使用Cube Corner金刚石压头,对单晶氧化镓的(010)和(100)晶面进行了摩擦磨损试验,利用原子力显微镜观测试验后的形貌并测量尺寸。结果在金刚石以不同速度摩擦单晶氧化镓时,(010)和(100)晶面的划痕宽度与摩擦速度的拟合直线的斜率分别4.05769和7.63462,深度与摩擦速度拟合直线的斜率分别为0.82073和0.79862。以不同载荷摩擦氧化镓时,(010)和(100)晶面的划痕宽度与载荷的拟合直线的斜率分别为47.625和46.750,深度与载荷拟合直线的斜率分别为23.764和31.9546。在多次重复摩擦磨损试验中,摩擦次数从1次增加到10次,划痕的深度从571.22 nm增加到2964.81 nm,划痕宽度从889.34 nm增加到7360 nm。结论在干摩擦状态下,金刚石压头的摩擦速度对氧化镓的摩擦系数、磨损影响不大。在低载荷下,氧化镓的磨损以塑性变形引起的材料去除为主,在载荷增大到一定值时,磨损转变为脆性材料去除的形式,出现裂纹、剥落和碎屑等,磨损增大。氧化镓(100)晶面由于硬度低、易解理,比(010)晶面更容易磨损。

基于纳米压痕的氧化镓不同晶面的蠕变特性

使用Berkovich压头,采用恒载荷法对氧化镓的(100)及(010)晶面进行纳米压痕试验,通过数据拟合获得氧化镓晶体的蠕变应力指数。单晶氧化镓(100)晶面的蠕变应力指数范围在15.5~27.8,(010)晶面的蠕变应力指数范围在46.1~63.4。纳米压痕法能够有效测量氧化镓的蠕变变形量;氧化镓的2个晶面均呈现了初始蠕变和稳态蠕变2个阶段,其中,(100)晶面具有较明显的初始蠕变阶段和稳态蠕变阶段,但是(010)晶面的初始蠕变阶段不明显;保载载荷与氧化镓的蠕变位移、等效压痕应力呈正相关,对蠕变应力指数没有明显影响;氧化镓不同晶面的蠕变应力指数差异很大,(010)晶面较(100)晶面具有更大的蠕变应力指数,具有更强的抗蠕变性能,更适合精密机械加工。