碳化硅衬底磨抛加工技术的研究进展与发展趋势

碳化硅衬底难加工的材料特性叠加其大尺寸化、超薄化的放大效应,给现有的加工技术带来了巨大的挑战,高效率、高质量的碳化硅衬底加工技术成了当下的研究热点.本文综述了碳化硅衬底机械磨抛加工技术和化学反应磨抛加工技术的研究进展,对比各类磨抛技术的特点,指出碳化硅衬底磨抛加工技术面临的挑战和发展趋势,以期为大尺寸碳化硅衬底的高质量、高效率、低成本加工提供新的思路和方法.

基于CFD仿真的跳台滑雪空中飞行姿态优化及其验证研究

跳台滑雪的空中飞行阶段姿态及稳定性决定了飞行的距离.本文作者以跳台滑雪的人/板系统为研究对象,探究其在空中飞行阶段所受到的空气阻力以及保持平衡所需要克服的力矩问题.结合空中飞行过程中人/板系统姿态的主要参数,即雪板间相对倾角、身体与雪板夹角以及V型夹角进行仿真分析,采用正交试验方法,获取不同因素角度下的总升阻比、滑雪板升阻比、身体力矩以及滑雪板力矩.仿真结果表明主要参数的耦合关系对人/板系统的总升阻比、滑雪板升阻比、身体力矩以及滑雪板力矩均会产生影响,并能间接的影响到运动员空中飞行过程中的气动特性以及姿态稳定性.通过分析得到人/板系统的最优组合为雪板间相对倾角为120°,身体与雪板夹角为26°,V型夹角为32°.最后利用视频解析法验证了本研究结果的可靠性.

能量场辅助激光诱导等离子体加工透明硬脆材料的研究现状及发展趋势

能量场辅助激光诱导等离子体加工技术是一种新兴的制造技术。基于传统的激光加工技术,通过引入热场、电场、磁场、化学场等能场进行创新,提高激光加工过程的可控性,不仅实现了透明硬脆材料纳米级甚至亚纳米级高精度制造,也有利于满足超精密制造的高质量、低损伤要求。从热场、磁场、电场、化学场分别具体阐述了不同的能量场辅助对激光加工技术的影响,通过分析激光机理和能量场辅助机理总结热场、电场、磁场和化学场对激光加工中的热能、光能、动能和表面能的影响原理,并介绍了能量场辅助激光加工的设备及工艺方法,最后总结能量场辅助激光加工技术目前存在的不足及未来面临的挑战,为进一步发展多能场复合辅助激光诱导等离子体加工技术奠定基础。

电泳共沉积法制备金刚石/Al_(2)O_(3)/玻璃复合涂层的工艺

以304不锈钢为基体,采用电泳共沉积法制备复合涂层,并通过烧结方式实现涂层在基体的固化。研究电泳共沉积过程中不同悬浮液组成、沉积电压、沉积时间和Al^(3+)质量分数等因素对涂层性能的影响,对涂层进行微观结构表征和力学性能测试,并使用该工艺制备抛光盘,用于蓝宝石的抛光。结果表明:当沉积电压为50 V,沉积时间为6 min,添加质量分数为0.10%的Al^(3+)时,可获得光滑、均匀的金刚石/Al_(2)O_(3)/玻璃复合涂层;复合涂层经450℃烧结3 h后,表面致密均匀,硬度达521 HV,复合涂层的耐磨性、与基体的结合强度均良好;使用抛光盘对蓝宝石进行抛光,可将表面粗糙度降低90.2%。

超硬磨料套料钻水下钻削P110钢的磨损实验

P110钢具有良好的综合力学性能,广泛用作油气井的套管,使用硬质合金工具对其进行水下钻削时工具磨损严重。实验研究3种不同超硬磨粒及结合剂的套料钻水下钻削P110钢的磨耗比,跟踪观察套料钻表面的磨粒形貌变化,并分析金刚石磨粒表面的石墨化情况。结果表明:在相同加工条件下,3种不同套料钻的端面磨耗大致相同,但使用金刚石磨粒的套料钻侧面磨损明显小于使用立方氮化硼(cBN)磨粒套料钻的;在水下加工条件下,端面金刚石磨粒会产生石墨化,但其仍保持一定的切削能力;结合剂硬度影响磨粒出露,从而导致套料钻在不同工作状态下的性能产生差异。

冰雪滑动摩擦研究现状及发展趋势

随着材料、检测设备和仿真软件的发展,冰雪摩擦的研究有了进一步的突破.冰和雪都拥有独特的摩擦特性,它们的微观结构、表面薄层和测试方法一直都是科学研究的重点.本文作者综述了关于冰雪与不同固体材料表面之间的摩擦学特性,简要介绍了冰雪微观形态、物态变化以及更深层次地从微观和纳观层面研究冰雪摩擦机理;重点介绍现有国内外在室内与室外进行冰雪摩擦测试的方法和测试装置的差异及影响,并结合减摩特性的摩擦机理研究在运动器材设计中的运用进行了简要总结.最后,在未来的发展中应更加注重这几个方向的研究,为国内冰雪摩擦领域研究及冰雪运动器材设计产业提供理论支持.

基于空气-雪两相流动力学仿真的滑雪板界面特性及其减阻性能研究

在冬奥会的比赛中滑雪板是重要的比赛装备,滑雪板与雪的界面特性极大地影响了滑雪板的性能.滑雪板与雪的界面同时存在雪、空气与滑雪板三者的耦合作用且作用时间短,因此常规的试验研究难度很大.计算流体动力学(CFD)仿真是研究流体界面性能的重要手段,可以模拟真实滑雪条件下,滑雪板滑行时的界面状态,量化分析界面的作用力等物理量.本文中以单板滑雪板作为研究对象,单板滑雪板在滑动界面上涉及到空气与雪两相流体问题.因此,本研究中采用CFD仿真的方法对坡面障碍单板进行分析研究.结合滑雪板的运动位姿状态,将结构分为4个变量参数进行分析,结果显示侧刃弦长对界面作用力影响最大,并探究结构最优组合;攻角则分为5个不同参数进行分析,结果显示雪板抬起角度为5°左右时,可以起到降低滑动界面作用力的效果.滑雪板结构与攻角的优化,可为后续的滑雪板设计与运动员运动过程中滑雪板姿态起到指导作用.

单层磨料凝胶抛光垫的加工性能研究

目的研究单层磨料凝胶抛光垫的加工性能,为提高磨料利用率以及降低磨料对凝胶基体的破坏提供解决思路。方法使用自行搭建的测力装置,对磨粒与基体的界面结合强度进行研究,分析磨料粒度和偶联剂对界面结合强度的影响,研究磨料粒度和结合剂厚度对磨粒附着的影响,并将制备的单层磨料凝胶抛光垫与常规多层磨料凝胶抛光垫分别在湿抛光和干抛光工艺条件下加工碳化硅衬底,对比两者的材料去除率、表面粗糙度和工具的磨损情况。结果 200/230目金刚石磨粒的界面结合强度是80/100目的 4倍有余,添加偶联剂后,80/100目金刚石磨料与基体的界面结合强度提高了75%。粗粒度的W40多层磨料容易破坏凝胶基体的结构,而细粒度的W5单层磨料不会破坏凝胶基体结构,且单层磨料工具的凝胶体涂覆厚度应低于0.6mm。湿抛光条件下,单层磨料工具能达到多层磨料工具的抛光效果;干抛光条件下,单层磨料工具的材料去除率相比多层磨料工具提升11.5%;湿抛光和干抛光条件下,单层磨料凝胶工具的耐磨性都显著强于多层磨料工具。结论单层磨料凝胶工具在湿抛光条件下具有与多层磨粒凝胶工具等效的加工能力,但是在干抛光条件下,单层磨料凝胶工具的加工能力和使用寿命要显著优于多层磨料凝胶工具。

单晶4H-SiC的摩擦诱导化学机械复合加工(FCMM)实验研究

单晶碳化硅(SiC)凭借其优异的材料性能成为下一代电力电子器件和光电子器件的优选衬底材料,但碳化硅的高硬脆性,强化学惰性对其高效精密加工带来了巨大挑战。提出一种基于摩擦诱导化学作用与低硬度磨粒机械作用复合的SiC晶片加工新思路。跟踪了4H-SiC在不同铁基烧结盘以及不同加工工艺参数下材料去除率随时间的变化;检测了加工后晶片的表面质量及亚表面损伤。实验结果表明摩擦诱导化学机械复合加工方法通过摩擦诱导实现金属与碳化硅的固相化学反应,并利用低硬度磨粒机械去除固相化学反应产物。加工后的亚表面中并未在纳米尺度下观察到晶体变形和晶格缺陷。加工初始阶段的材料去除率最高可达1025nm/min,稳定阶段的材料去除率最高可达385nm/min。工艺参数对加工过程中的固相化学反应速率有着重要的影响,低硬度磨粒实现对化学反应粘附物的机械去除,可以有效提高材料去除率。实验结果证实了本文提出的新型加工思路的可行性,其总体加工效率明显高于现有加工方法,为实现单晶SiC晶片的高效精密加工提供了新的研究思路。

滚筒振动对铺粉质量影响的离散元模拟

以Al2O3陶瓷粉末为研究对象,建立了Al2O3陶瓷粉末流动的离散元方法模型。针对增材制造铺粉工艺中滚筒振动对粉床质量的影响问题,模拟滚筒振动方向、振幅和频率对粉床的密实性、均匀性和平整度的影响规律。仿真结果表明:滚筒轴向振动可提高粉床密实性和均匀性,却会导致粉床平整度变差;滚筒径向振动会导致较差的粉床平整度,当振幅大于8μm时,颗粒的压缩和回弹效应导致粉床质量显著降低;滚筒切向振动可以提高粉床的密实性和均匀性,对粉床平整度影响很小,但切向振动频率过高容易引起粉末飞溅。研究表明在切向方向对滚筒施加低频的振动可以有效提高增材制造粉床质量。

基于斐波那契数积分计算非等径颗粒视角系数

热辐射是颗粒间热量传递的基本方式之一,视角系数计算的效率和精度是颗粒热辐射数值模拟中的主要难点。本文采用斐波那契数列对非等径颗粒表面进行离散,在此基础上计算视角系数,并且对z方向的积分使用非均匀变换以提高计算精度。结果表明,在具有不同球体数的粉末床中,用该方法计算的视角系数的相对误差为5%,与传统的蒙特卡洛方法相比,计算效率提升约30%。

单晶金刚石衬底超精密加工损伤层无损测量与表征

针对超精密加工后单晶金刚石衬底表面损伤层具有超薄(试验仅几个纳米)且透明的特点,提出一种基于光谱椭偏的测量和表征方法,实现衬底损伤层厚度和折射率的无损测量和表征。首先,建立“粗糙层+纯基底”两层光学模型,利用离散型穆勒矩阵椭偏测量模式测量加工前籽晶衬底,分析测量数据获得其光学常数,作为后续加工损伤层椭偏数值反演的基础,以避免损伤层与衬底间椭偏参数耦合;然后,根据衬底加工后的特征,建立“粗糙层+损伤层+纯基底”三层光学模型,采用多点拟合分析策略,在此基础上,实现粗磨和精磨两个典型加工阶段金刚石衬底损伤层的无损表征,并进一步探究单面磨削和双面磨削损伤层差异。结果表明,籽晶折射率与金刚石折射率理论值接近,且随波长的变化趋势一致,说明测量模式和拟合策略可行;粗磨后衬底损伤层的厚度和折射率均高于精磨后衬底损伤层的厚度和折射率;双面磨削与单面磨削损伤层的折射率在红外波段基本一致,在紫外-可见波段具有差异。损伤层厚度椭偏测量结果与透射电子显微镜(Transmission electron microscope,TEM)测量结果进行比对分析,验证椭偏测量方法的准确性。所提方法可无损测量单晶金刚石衬底超薄损伤层厚度和折射率,表征超精密加工后衬底表面质量,有助于金刚石衬底超精密加工过程的工艺优化。

磨粒工具的研究现状及发展趋势

磨粒加工技术的快速发展带动了磨粒工具技术的不断进步。发展高性能的磨粒工具对提高生产效率、提升加工精度有着重要的意义。从加工中磨粒工具的失效形式入手,分析了不同加工目标下磨粒与工件材料加工界面之间的力作用、温度作用、化学作用对磨粒工具失效的影响机制;概述了基于界面作用机理调控的磨粒工具设计及制造技术;归纳了现有磨粒工具的表面状态测量与评价技术;总结了磨粒工具使用过程中的界面作用调控技术;结合智能磨粒加工技术的发展对磨粒工具的未来趋势提出了展望。