轴承内圆轴向超声高速磨削理论建模与试验研究

目的以GCr15材料的6309型轴承内圆为研究对象,探究高转速超声磨削过程中超声辅助振动对磨粒运动轨迹、磨削后表面粗糙度、圆度以及微观形貌的影响规律。方法基于超声内圆磨削磨粒切削轨迹及超声振幅与砂轮转速对轨迹影响的理论仿真,构建磨削去除量与磨削表面粗糙度的理论模型,通过对轴承内圆进行超声磨削试验,研究高转速(16000~22000 r/min)下各工艺参数对内圆表面质量的影响并验证理论粗糙度评价模型。结果超声振幅的增大使磨粒与内圆接触轨迹变长,但随砂轮转速的提高,磨粒切削轨迹的密集程度也有所下降。振幅和砂轮转速的增大可使切削去除量增大、粗糙度降低,铬刚玉粒度100#陶瓷结合剂砂轮磨削GCr15轴承内圆后,其表面质量更有优势,单因素下表面质量变化趋势与理论分析结果相一致。结论在相同磨削参数下,1.5μm振幅超声磨削可使内圆圆度降至0.92μm,粗糙度降至130.5 nm,与传统磨削相比,粗糙度最高减小了41.5%,圆度最高减小了52.6%。在高转速下,各因素按砂轮对磨削后表面质量的影响由大到小的顺序依次为砂轮转速、超声振幅、进给速度,当磨粒线速度超过41.8 m/s、进给速度超过600 mm/min、振幅超过1.5μm时,表面质量呈下降趋势。

石墨烯纳米带的制备技术及应用研究现状

石墨烯具有优异的力学、电学、光学、热学等物理性质,是当前新型材料的研究热点之一,被广泛应用在导电薄膜、储能元件、药物载体以及锂电池等领域。然而,石墨烯无带隙的特点限制其更广泛的应用,因此,通过技术手段打开石墨烯带隙成为学者们亟待解决的新问题。将石墨烯制成石墨烯纳米带(Graphene nanoribbons,GNRs)是打开其带隙的可行办法。因此,本文梳理了制备GNRs的不同方法,综述了其制备原理和研究进展,并对比了其优点和不足,提出了将不同方法的优点相互结合的复合制备方法,以实现可控、高效、高质量制备GNRs,最后介绍了GNRs在高性能传感器、场效应晶体管和光电探测器领域应用的研究进展和未来发展趋势。这对GNRs进一步应用在纳米器件中有一定的指导意义。

磨粒振动对碳化硅CMP的微观结构演变和材料去除的影响

针对化学机械抛光中磨料易团聚、机械和化学作用不能充分发挥等问题,采用振动辅助的方法进行优化。通过分子动力学模拟,分析磨粒振动的频率、振幅及其压入深度、划切速度对工件表面微观原子迁移的演变规律,揭示振动对材料去除和表面改善的促进机制;并通过振动辅助化学机械抛光工艺试验和表面成分分析,验证振动辅助的抛光效果和去除机制。结果表明:适当增大磨粒的振动频率、振动振幅及其压入深度、划切速度,可有效提高工件表面的原子势能和温度;磨粒振动有利于提高工件表面原子的混乱度,促进碳化硅参与氧化反应,形成氧化层并以机械方式去除;抛光试验和成分分析也证实振动可以提高材料去除率约50.5%,改善表面质量约25.4%。

铜基底/石墨烯涂层束缚减摩机制

目的 探究石墨烯涂层对单晶铜基底摩擦特性的影响,揭示石墨烯涂层的微观减摩和基底强化机制。方法 基于AIREBO、EAM、Lennard-Jones混合势函数和Verlet算法,采用分子动力学法对铜基底/石墨烯涂层(Cu/Gr)和铜基底(Cu)的摩擦行为展开研究,结合基底位错、承载直径、划切圆角、划切刃角的变化规律,分析石墨烯涂层对法向力和摩擦力的影响。结果 在纳米压痕中,石墨烯涂层使基底压入边缘处产生了划切圆角,当压入深度为3.0 nm时,基底承载直径由4.6 nm增至8.2 nm,法向承载力由62.63 nN提高至514.32 nN;在摩擦过程中,石墨烯涂层抑制了基底表面的犁沟效应,使位错密度由0.06 nm^(-2)提升至0.15 nm^(-2);当压入深度相同时,石墨烯涂层使基底具有更小、更稳定的摩擦因数,最终使摩擦因数降低了61.43%~77.81%;当下压力为150 nN时,石墨烯涂层使划切刃角由90°降至32°,摩擦力由75.72 nN降至21.51 nN。当Cu/Gr基底上的划切刃角由32°降至17°时,摩擦力由21.51 nN降至9.08 nN。结论 石墨烯涂层的束缚机制增大了基底表面的承载直径,增大了基底内的位错密度,进而提高了法向承载能力。石墨烯涂层的束缚机制降低了划切刃角,降低了摩擦力,提升了基底的摩擦性能。

基底化学吸附对石墨烯机械裁剪性能的影响机制

机械裁剪法是简单高效制备石墨烯纳米带的加工方法,目前对基底化学吸附如何影响石墨烯机械裁剪行为的认识尚有不足。为探究基底化学吸附对石墨烯机械裁剪性能的影响机制,基于ReaxFF反应力场和Verlet算法,采用反应分子动力学方法对Ni、Pt、Cu金属基底上的石墨烯机械裁剪行为展开研究,根据纳米压痕和机械裁剪中探针与石墨烯(C_(T)-C_(G))、石墨烯层内(C_(G)-C_(G))、石墨烯与基底(C_(G)-M)间键合数量和键合强度的变化规律,分析基底化学吸附对键合性能和石墨烯机械裁剪行为的影响。结果表明:Ni、Pt、Cu基底对石墨烯的化学吸附能力依次减弱,强化学吸附作用增大了C_(G)-M键合强度,促进了C_(T)-C_(G)键合,削弱了C_(G)-C_(G)键合强度,降低了石墨烯的抗破损强度,Ni、Pt、Cu基底上的石墨烯抗破损强度分别为110.19、121.71、176.53 GPa。强化学吸附使石墨烯发生了大面积撕裂破损,弱化学吸附使石墨烯仅发生了部分碳链和碳原子的剥离。强化学吸附基底提高了石墨烯的机械裁剪效率,减小了机械裁剪深度,降低了探针下压载荷,提高了探针对石墨烯的摩擦力,提高了石墨烯的机械裁剪性能。基于反应分子动力学方法可深入探究基底化学吸附对石墨烯机械裁剪性能的影响规律及内在机理,研究结果可为不同化学吸附基底条件下高效、高精度石墨烯纳米带的机械裁剪提供理论依据。

超声振动辅助切削单晶硅的剥离去除机制

为探究超声振动辅助对单晶硅切削性能的影响,揭示超声振动辅助切削的基底去除机制,基于Tersoff力场和Morse力场,采用分子动力学方法对不同振动频率和振幅的超声振动辅助切削行为展开研究。根据基底原子运动轨迹、刀具受力、基底势能、亚表面损伤、等效应力和原子去除数量的变化规律,分析了超声振动辅助切削单晶硅的切削性能和去除机制。结果表明,传统切削通过摩擦推挤方式去除原子,超声振动辅助切削通过摩擦剥离方式去除原子。振动频率和振幅的升高均有利于降低刀具的切削力和法向力,增加刀具的做功,降低非晶层厚度,增加基底原子去除数量,超声振动辅助提高了单晶硅的切削性能和效率。研究结果可为单晶硅高效、高质量加工提供理论指导。

超声波滚压强化对304不锈钢表面质量的影响

不锈钢关节轴承是航空领域应用最广泛的关节轴承之一。但是由于航空关节轴承转速较慢,不利于形成动压润滑,极易造成磨损,因此,设计了一种圆锥形和阶梯形复合型变幅杆,并搭建试验装置对304不锈钢进行超声波滚压强化试验。通过对比试验,探究了滚压次数和不同预处理方式对材料表面质量的影响。试验结果表明:滚压3次后,表面粗糙度Ra值达到0.08μm,达到了最佳效果;滚压第4次表面显微硬度为最佳,达到473.0HV,提高了近40%;效果较好的预处理在一定程度上可以给滚压后的试件表面带来质量提升;通过X射线探伤,在材料内部并未发现硬化分层缺陷,有效提高了材料的使用寿命,可以为航空关节轴承的表面强化工艺提供参考。

CVD金刚石化学机械抛光工艺研究

本文提出采用化学机械抛光的新工艺实现传统方法无法达到的超光滑、低损伤的表面抛光。本文在对金刚石氧化的化学热动力学研究基础上,配制了以高铁酸钾为主要氧化剂的化学机械抛光液,指出加快化学机械抛光过程金刚石氧化的工艺措施。研制了用于CVD金刚石化学机械抛光的可加热抛光头和摩擦力测量装置,着重研究了CVD金刚石的化学机械抛光工艺。试验得到最佳的抛光工艺参数:抛光压力为266.7 k Pa,抛光盘转速为70 r/min,抛光头转速为23 r/min,抛光温度为50℃。化学机械抛光的摩擦系数在0.060~0.065范围内变化,为混合润滑状态。

光催化辅助化学机械抛光CVD金刚石抛光液的研制

CVD金刚石因其优越的物理化学特性被应用到许多高科技领域中,但目前的抛光方法存在着效率低、精度差等诸多问题,无法满足高科技领域对金刚石高效超光滑的表面精度要求。我们提出利用二氧化钛光催化辅助化学机械抛光方法实现CVD金刚石的高质量加工,并研制出用于金刚石抛光的二氧化钛光催化氧化原理结合辅助化学机械抛光液。首先,我们根据光催化原理搭建相应的化学机械抛光装置;然后,采用甲基橙溶液氧化变色及溶液氧化还原电位(ORP)表征抛光液的氧化性;最后,对CVD金刚石进行了光催化辅助化学机械抛光。结果表明:P25型二氧化钛光催化活性最高,每100mL纯水中加入1mL的H_2O_2与0.2mL的H_3PO_4对催化剂活性影响最大,氧化还原能力较高,采用其加工CVD金刚石可使抛光表面变得极为光滑。

CVD金刚石膜高效超精密抛光技术

CVD金刚石膜作为光学透射窗口和新一代计算机芯片的材料,其表面必须得到高质量抛光,但是现存方法难以满足既高效又超精密的加工要求.本文提出机械抛光与化学机械抛光相结合的方法.首先,采用固结金刚石磨料抛光盘和游离金刚石磨料两种机械抛光方法对CVD金刚石膜进行粗加工,然后采用化学机械抛光的方法对CVD金刚石膜进行精加工.结果表明,采用游离磨料抛光时材料去除率远比固结磨料高,表面粗糙度最低达到42.2 nm.化学机械抛光方法在CVD金刚石膜的超精密抛光中表现出较大的优势,CVD金刚石膜的表面粗糙度为4.551 nm.

使用反应分子动力学模拟碳化硅的原子去除机理

为了分析羟基自由基水溶液中金刚石抛光碳化硅过程中材料原子级别的去除机理,采用反应分子动力学对抛光过程进行了模拟.结果表明:羟基自由基和水分子吸附在碳化硅表面,浸入到碳化硅表面并与Si原子和C原子成键,实现碳化硅基体的氧化;在磨粒机械作用下,工件的Si原子主要以SiO、SiO2或Si链的形式去除,C原子主要以CO、CO2形式去除;抛光压力越大,工件表面吸附的原子数越多,工件去除的原子越多;抛光速度过大,基体与溶液反应时间缩短,导致工件原子去除量小,表明从工件上去除原子是化学反应和机械作用的结果.

利用化学和机械协同作用的CVD金刚石抛光机理与技术

金刚石是集多种优越的物理、化学、光学和热学性能于一身的材料极品。它不但是自然界已知材料中硬度最大、摩擦因数最小、导热性能最好的材料，而且具有优良的电绝缘性、较宽的透光波段、优秀的半导体特性和化学惰性，被视为21世纪最有发展前途的工程材料，具有广泛的应用前景和巨大的市场潜力。

金刚石探针划切石墨烯的分子动力学模拟

石墨烯被认为是当前最有发展前景的二维纳米材料,拥有优越的物化特性和广泛的应用前景,但石墨烯没有带隙,极大限制了其在电子领域的应用,精密切割能为石墨烯打开一定的带隙。本文采用分子动力学模拟方法对石墨烯进行划切,分析金刚石探针沿不同方向划切石墨烯的微观形貌,研究有无基底、不同切割方向等参数对石墨烯划切边缘能量及划切力等的影响规律。模拟结果表明:金刚石划切石墨烯具有各向异性特征,切割边缘粗糙,没有明显armchair型边缘或zigzag型边缘特征。

第三届上银优秀机械博士论文摘要选登

刚石具有最高硬度、高热传导性、低热膨胀系数、低摩擦系数和化学惰性等其它材料不能比拟的力学性能,是最理想的超精密切削加工工具材料。

过渡金属作用下的金刚石石墨化机理研究

从电子和原子角度解释了过渡金属对金刚石石墨化催化作用的机理,即过渡金属具有空d轨道,并且在某一面上与金刚石(111)面原子符合对准原则。为了验证此结论,基于第一性原理建立铬、铁、钴、钛、铂、铝、铜原子与金刚石原子的作用模型,进行仿真计算,得到不同过渡金属对金刚石石墨化的影响规律。仿真结果表明:Cr、Fe、Co、Ti、Pt作用下的金刚石结构出现不同程度的石墨化现象,而Al、Cu作用下的金刚石无石墨化现象。不同金属作用下金刚石原子结构的平面度由小到大依次为铁、铬、钴、钛、铂、铝、铜;碳原子间方差由小到大依次为铁、铬、钴、铂、钛、铝、铜;系统能量变化由大到小的顺序依次为铁、铬、钴、铂、钛。通过比较,铁、铬、钴原子对金刚石石墨化具有明显的催化作用,铂、钛原子有一定的催化作用,而铝、铜原子则无催化作用。当金属具有空d轨道且与金刚石在一定面上符合对准原则,未配对电子越多,金属对金刚石石墨化的催化作用越强;反之,当金属价电子层无d轨道或d轨道电子是充满状态时,金属对金刚石石墨化无催化作用。该研究为利用金刚石石墨化机理刃磨金刚石刀具提供了理论基础。

单晶碳化硅晶片高效超精密抛光工艺

为改善现有碳化硅抛光方法存在的效率低、有污染、损伤大等问题,提出采用机械研磨与光催化辅助化学机械抛光组合工艺抛光单晶碳化硅晶片.光催化辅助化学机械抛光利用纳米二氧化钛在紫外光照射下生成羟基自由基的强氧化作用原子级去除碳化硅.通过L9(33)正交试验研制光催化辅助化学机械抛光抛光液,采用对碳化硅晶片表面粗糙度跟踪检测的方法确定优化加工工艺.甲基紫有机显色剂静态氧化试验结果表明:光催化剂对抛光液氧化性的影响最大,其次是电子俘获剂,再次是分散剂;较好的抛光液配方为二氧化钛0.5 g獉L-1、过氧化氢1.5 mol獉L-1、六偏磷酸钠0.1 g獉L-1.确定的优化抛光工艺为:采用5μm和2μm金刚石微粉分别研磨单晶碳化硅晶片30 min,材料去除率分别为8.72μm/h和4.56μm/h;然后采用光催化辅助化学机械抛光单晶碳化硅去除机械研磨带来的损伤,粗抛光选用0.5μm氧化铝微粉抛光60 min,精抛光选用0.05μm氧化铝微粉抛光50 min,粗抛光和精抛光的材料去除率分别为1.81μm/h和1.03μm/h.用该工艺抛光单晶碳化硅,获得的表面粗糙度约为0.47 nm,基本能满足单晶碳化硅高效、超光滑、低损伤的抛光要求.

表面微织构对关节轴承耐摩性能的影响

针对关节轴承在大载荷、贫润滑等极端工况下发生的磨损失效问题,采用Fluent仿真研究不同形状、直径和间距的微织构对流体力学的影响,借助激光加工法进行织构化处理以获得试验所需表面,采用UMT TriboLab摩擦磨损试验机对304不锈钢表面摩擦磨损性能进行分析.结果表明:圆形、三角形和矩形微织构最大压力值依次为89600、82100和78900 MPa;圆形微织构动压润滑性能效果最好,三角形微织构次之,矩形微织构最差;微织构直径大于160μm时,摩擦系数减小趋势变缓,微织构间距为200μm时摩擦系数最小.

单晶SiC的电助光催化抛光及去除机理

为满足电子半导体等领域对SiC超光滑、无损伤和材料高效去除的要求,提出了电助光催化抛光SiC的新方法。研究了光催化剂种类及其pH值对抛光液氧化性和抛光效果的影响,讨论了材料的去除机理。结果表明:以p25型TiO_2为光催化剂配制抛光液所获得的最大氧化还原电位为633.11 mV,材料去除率为1.18μm/h,表面粗糙度Ra=0.218 nm;抛光后SiC表面氧化产物中,Si-C-O、Si-O和Si_4C_4O_4的含量明显增加,SiC表面被氧化并被机械去除是主要的材料去除方式。

基于Canny算子的IC卡字符边缘检测及分割的研究

针对IC卡压印字符的表面特征,边缘检测算子的选取并得到精准凹凸字符信息是图像处理的关键。利用Canny算子提取凹凸字符的边缘特征,并利用几种经典的边缘检测算子对Canny算子效果进行检验,得出Canny算子对卡片字符的边缘检测有相当好的结果。同时,根据字符图像的边缘检测结果,选取阈值参数对字符图像进行分割得到单个字符的二值化图像和灰度直方图。较传统的二值化分割方法相比,取得了满意效果。并提高了字符的识别率。

单晶蓝宝石高效超精密加工技术研究

针对光电子器件、集成电路等应用领域对单晶蓝宝石高质量的表面需求,而单晶蓝宝石自身的硬度和良好的化学稳定性给抛光带来较大的困难。文章在分析、对比直接采用2μm金刚石磨料化学机械抛光蓝宝石基片效果的基础上,提出机械研磨与化学机械抛光相结合的工艺抛光蓝宝石。结果表明,采用10μm的碳化硼磨料机械研磨蓝宝石,材料去除率为8.03μm/h,表面粗糙度Ra由1.18μm迅速降至22.326 nm;采用粒径为2μm和0.5μm的金刚石磨料化学机械抛光蓝宝石晶片,有效的去除机械抛光带来的损伤,最后表面粗糙度Ra可达0.55 nm。此抛光工艺能满足蓝宝石晶体高效、超光滑、低损伤的抛光要求。