多晶碳化硅陶瓷磨削裂纹损伤形成机理研究

当前碳化硅陶瓷类硬脆材料磨削损伤形成机理研究主要是基于经典压痕断裂力学基础理论,然而对于具有复杂显微结构的陶瓷材料,磨削亚表面裂纹损伤形式和萌生扩展机理未必遵循经典压痕断裂力学理论。有鉴于此,重点从陶瓷材料显微结构层面开展碳化硅陶瓷磨削损伤形成机理研究,采用单颗金刚石磨粒轴向进给磨削试验方法,借助聚焦离子束、透射电镜等设备,分析碳化硅陶瓷磨削损伤特点,发现穿晶裂纹具有显著择优取向性,晶界对裂纹萌生具有显著诱导作用、对裂纹扩展具有显著阻碍作用;提出了SiC陶瓷磨削亚表面晶界裂纹系统,揭示了位错在晶界处塞积是晶界裂纹系统产生的机理;随磨削进行,SiC陶瓷磨削亚表面晶界裂纹系统分别经历位错激发、位错运动至晶界处堆积、晶界处微裂纹萌生、晶界处微裂纹扩展汇合形成宏观沿晶裂纹和穿晶裂纹、裂纹扩展至磨削表面形成破碎凹坑五个跨尺度演化过程;基于位错塞积理论建立了晶界裂纹系统一般性的断裂力学模型,解析裂纹萌生与扩展临界条件;建立了晶粒尺度单颗金刚石磨削多晶SiC陶瓷有限元仿真模型,验证了SiC陶瓷磨削亚表面晶界裂纹系统模型的准确性。     

碳化硅陶瓷的超声振动辅助磨削

采用普通磨削方式和超声振动辅助磨削方式对无压烧结SiC材料进行了磨削工艺实验,对不同磨削方式下磨削参数对磨削力比、表面损伤及亚表面损伤的影响进行了对比研究,并分析了超声振动磨削作用机制。实验结果显示,该实验中SiC材料去除主要以脆性去除为主,砂轮磨削力比随着磨削深度和进给速度的增加缓慢增加,随着主轴转速的增加略有减小;普通磨削时SiC工件亚表面损伤深度随着磨削深度、进给速度增加逐渐增加,而超声振动辅助磨削变化较小。与普通磨削相比,在相同的磨削参数下,超声振动辅助磨削的高频冲击使材料破碎断裂情况得到改善,且磨削力比减小近1/3,表面裂纹、SiC晶粒脱落、剥落等表面损伤较少,表面损伤层较浅,亚表面裂纹数量及深度都有较大程度降低,可以获得较为理想的表面质量。     

表面激光织构对碳化硅陶瓷磨削性能影响研究

目前工程陶瓷材料的加工方式主要依靠金刚石砂轮磨削,传统磨削加工中,碳化硅陶瓷本身的硬脆性导致加工过程易引入表面/亚表面损伤,且存在切削力大、砂轮磨损严重、材料去除率低等问题。针对上述难题,本文通过表面织构技术辅助碳化硅陶瓷磨削,采用毫秒脉冲激光在碳化硅陶瓷表面烧蚀特定且均匀分布的表面织构,深入研究激光表面织构参数对碳化硅陶瓷磨削性能的影响规律。结果表明：保持磨削加工参数及状态不变,当织构深度和宽度一定时,织构横向间距(织构面积)对磨削力的影响最大,横向间距越大,粗糙度值越大;与传统磨削加工相比,两种激光织构辅助磨削性能均有所提升,其中网格状织构表现更为优异。     

陶瓷磨削机理及其对表面/亚表面损伤的影响

磨削加工是先进陶瓷材料的最常用的加工方法,但常引起被加工零件的表面／亚表面损伤。不同的材料去除方式对表面／亚表面损伤有着显著的影响。若要准确预测和有效控制磨削过程对陶瓷材料造成的表面／亚表面损伤,就必须首先了解陶瓷磨削的材料去除机理及其与材料表面／亚表面损伤之问的关系。在陶瓷材料磨削机理的研究中,大多使用压痕断裂力学模型或切削加工模型近似处理。在磨削过程中陶瓷材料去除机理一般可分为脆性断裂和塑性变形两大类型。通过对不同材料去除方式对不同的表面／亚表面损伤指标的影响,得出初步结论：对材料去除方式的控制是有效预测和控制材料表面／亚表面损伤的方法。     

磨削力对HIPSN陶瓷磨削亚表面裂纹的影响

采用金刚石砂轮是磨削热等静压氮化硅(HIPSN)陶瓷最常用的加工方法,但是被磨零件亚表面常常伴随裂纹、崩碎等加工损伤,因此研究裂纹扩展一直是工程陶瓷的热点问题.对磨削加工后的HIPSN陶瓷亚表面裂纹进行探究,分析其在磨削加工过程中产生裂纹的原因以及去除机理,研究结果表明在磨削过程中对裂纹进行适当的控制,可以提高陶瓷零件...     

工程陶瓷磨削表面/亚表面损伤的产生及其控制

总结讨论了国内外在陶瓷磨削表面/亚表面损伤方面所作的研究及其所取得的成果;讨论了表面/亚表面裂纹和残余应力产生的原因及扩展机理;探讨了控制陶瓷磨削表面/亚表面损伤的途径;指出了当前研究所存在的问题及今后需要努力地方向。     

基于材料冲击特性的碳化硅超声磨削机理及亚表面损伤特征研究

碳化硅是空间光学元件理想材料之一,但其磨削亚表面会产生较严重的面损伤,影响光学元件生产效率、性能发挥及使用寿命。为了更好地控制碳化硅超声磨削亚表面损伤,开展了超声辅助磨削数值仿真和试验研究,建立磨粒的运动轨迹方程,研究加工参数对运动学特性的影响规律,分析超声振动辅助对磨削过程材料去除的影响机理,讨论加工参数影响下的碳化硅超声磨削去除机理和亚表面损伤特征,建立亚表面损伤深度预测模型。结果表明,施加超声振动辅助后磨粒的运动学特性发生周期性变化,磨粒周期性地冲击工件;碳化硅在超声磨削过程中主要有三种去除方式：穿晶裂纹撕裂晶粒发生脆性断裂去除、晶界裂纹扩展至碳化硅表面导致单颗晶粒脱落以及晶界裂纹沿多颗晶粒的晶界扩展至碳化硅表面导致块状脱落;经验证,亚表面损伤深度模型预测精度较好,预测值与检测值的方差为0.219。     

碳化硅高速磨削表面完整性研究

针对碳化硅的应用日益扩大,但它质地硬脆,高效率高质量加工总遇到障碍的情况,采用高速磨削工艺,研究了砂轮速度对磨削力和材料去除率的演变规律,开展了磨屑形态、磨削表面和亚表面形貌观察,及表面粗糙度、残余应力等一系列试验。结果表明:高速磨削能降低磨削力和磨削热,减小磨削损伤层,成比例提高砂轮速度和工件速度能增进表面完整性和提升加工效率。基于磨削层表面粗糙度和深度残余应力的检测,表明:在碳化硅高速磨削中,存在脆-延性去除机理的转化过程;高速磨削有望成为高效率高质量磨削工程陶瓷碳化硅的一条有效途径。     

碳化硅陶瓷的激光改性磨削

为了实现碳化硅陶瓷的高精加工,激光辐照被引入磨削加工中。本文以碳化硅陶瓷为研究对象,采用激光改性磨削工艺,利用激光辐照对碳化硅陶瓷进行改性处理,进而对碳化硅陶瓷进行磨削试验。与普通磨削进行比较,研究了碳化硅陶瓷试样的磨削力、表面粗糙度、表面形貌和亚表面损伤。实验结果表明,与普通磨削相比,激光改性磨削可以有效降低法向磨削力、切向磨削力、表面粗糙度,最大下降幅度分别为33.91%、37.31%和33.14%。激光改性磨削促使SiC陶瓷在磨削过程中以塑性去除为主,磨削表面规则且光滑;工件亚表面微裂纹较少,亚表面损伤深度小;实现了大磨削深度的塑性去除,提高了SiC陶瓷的磨削质量。     

氮化硅陶瓷磨削温度与表面裂纹扩展研究

工程陶瓷零件的亚表面损伤严重影响其可靠性和使用寿命,因此探究了磨削温度对氮化硅陶瓷表面裂纹扩展的影响.首先,通过K型热电偶测温技术获得磨削参数与磨削温度的关系;其次,通过陶瓷片磨削试验获得陶瓷内部亚表面裂纹扩展情况;最后,得出磨削温度对裂纹扩展的改善机制.试验结果表明,随着磨削速度、磨削深度的增加,磨削温度增大;随着进...     

工件旋转法磨削硅片的磨粒切削深度模型

半导体器件制造中,工件旋转法磨削是大尺寸硅片正面平坦化加工和背面薄化加工最广泛应用的加工方法。磨粒切削深度是反映磨削条件综合作用的磨削参量,其大小直接影响磨削工件的表面/亚表面质量,研究工件旋转法磨削的磨粒切削深度模型对于实现硅片高效率高质量磨削加工具有重要的指导意义。通过分析工件旋转法磨削过程中砂轮、磨粒和硅片之间的相对运动,建立磨粒切削深度模型,得到磨粒切削深度与砂轮直径和齿宽、加工参数以及工件表面作用位置间的数学关系。根据推导的磨粒切削深度公式,进一步研究工件旋转法磨削硅片时产生的亚表面损伤沿工件半径方向的变化趋势以及加工条件对磨削硅片亚表面损伤的影响规律,并进行试验验证。结果表明,工件旋转法磨削硅片的亚表面损伤深度沿硅片半径方向从边缘到中心逐渐减小,随着砂轮磨粒粒径、砂轮进给速度、工件转速的增大和砂轮转速的减小,加工硅片的亚表面损伤也随之变大,试验结果与模型分析结果一致。     

单晶硅纳米磨削亚表面损伤形成机制及其抑制研究

硅晶圆纳米磨削过程中产生的亚表面损伤限制了其使用寿命,亟需研究纳米磨削过程中单晶硅的亚表面损伤形成机制和抑制方法。文章首先建立了单晶硅纳米磨削的分子动力学仿真模型,研究其亚表面损伤形成机制。随后研究了磨削参数对磨削过程中磨削力、磨削温度以及亚表面损伤形成的影响机制。最后提出了单晶硅纳米磨削的损伤抑制策略。结果表明：单晶硅纳米磨削过程中结构相变和非晶化是其主要亚表面损伤形成机制。原始的Si-I相在挤压和剪切作用下形成了Si-II相、Si-III相、Si-IV相、bct5-Si相以及非晶。磨削深度增加导致了磨削力和磨削温度升高,而磨削速度的增加导致磨削力减小,磨削温度升高。磨削力增大是导致亚表面损伤严重的主要原因,而一定程度的高温有利于抑制单晶硅的亚表面损伤。在纳米磨削单晶硅时,可通过减小磨削深度和提升磨削速度来实现亚表面损伤的抑制。     

硅片低损伤磨削砂轮及其磨削性能

针对传统金刚石砂轮磨削硅片存在的表面/亚表面损伤问题,研制了一种用于硅片化学机械磨削加工的新型常温固化结合剂软磨料砂轮。根据化学机械磨削加工原理和单晶硅的材料特性,设计的软磨料砂轮以氧化铈为磨料,二氧化硅为添加剂,氯氧镁为结合剂。研究了软磨料砂轮的制备工艺,分析了软磨料砂轮的微观组织结构和成分。通过测量加工硅片的表面粗糙度、表面微观形貌和表面/亚表面损伤,进一步研究了软磨料砂轮的磨削性能。最后,与同粒度金刚石砂轮磨削和化学机械抛光(CMP)加工的硅片进行了对比分析。结果表明,采用软磨料砂轮磨削的硅片其表面粗糙度Ra1nm,亚表面损伤仅为深度30nm的非晶层,远好于金刚石砂轮磨削硅片,接近于CMP的加工水平,实现了硅片的低损伤磨削加工。     

湿式机械化学磨削单晶硅的软磨料砂轮及其磨削性能

针对干式机械化学磨削(Mechanical chemical grinding,MCG)单晶硅过程中易产生磨削烧伤、粉尘多、加工环境差等问题,研制一种可用于湿式MCG单晶硅的新型软磨料砂轮,并对砂轮的磨削性能及其磨削单晶硅的材料去除机理进行研究.根据湿式机械化学磨削单晶硅的加工原理和要求,制备出以二氧化硅为磨料、改性耐水树脂为结合剂的新型软磨料砂轮.采用研制的软磨料砂轮对单晶硅进行磨削试验,通过检测加工硅片的表面/亚表面质量对湿式MCG软磨料砂轮的磨削性能进行分析,并与传统金刚石砂轮、干式MCG软磨料砂轮的磨削性能进行对比.采用X射线光电子能谱仪对磨削前后硅片的表面成分进行检测,分析湿式MCG加工硅片过程中发生的化学反应.结果表明,采用湿式MCG软磨料砂轮加工硅片的表面粗糙度Ra值为0.98 nm,亚表面损伤层深度为15 nm,湿式MCG软磨料砂轮磨削硅片的表面/亚表面质量远优于传统金刚石砂轮,达到干式MCG软磨料砂轮的加工效果,可实现湿磨工况下硅片的低损伤磨削加工.在湿式MCG过程中,单晶硅、二氧化硅磨粒与水发生了化学反应,在硅片表面生成易于去除的硅酸化合物,硅酸化合物进一步通过砂轮磨粒与硅片间的机械摩擦作用被磨粒从单晶硅表面去除,在机械与化学作用复合作用下实现硅片超低损伤磨削加工.     

ELECTRIC DISCHARGE MILLING AND MECHANICAL GRINDING COMPOUND MACHINING OF SILICON CARBIDE CERAMIC

Silicon carbide (SiC) ceramics have been widely used in modern industry. However, the manufacture of SiC ceramics is not an efficient process. This paper proposes a new technology of machining SiC ceramics with electrical discharge milling and mechanical grinding compound method. The compound process employs the pulse generator used in electrical discharge machining, and uses a water-based emulsion as the machining fluid. It is able to effectively machine a large surface area on SiC ceramics with a good surface quality. In this paper, the effects of pulse duration, pulse interval, peak voltage, peak current and feed rate of the workpiece on the process performance parameters, such as material removal rate, relative electrode wear ratio and surface roughness, have been investigated. A L₂₅ orthogonal array based on Taguchi method is adopted, and the experimental data are statistically evaluated by analysis of variance and stepwise regression. The significant machining parameters, the optimal combination levels of machining parameters, and the mathematical models associated with the process performance are obtained. In addition, the workpiece surface microstructure is examined with a scanning electron microscope and an energy dispersive spectrometer.     

Tribological Behavior of Ceramics at High Sliding Speeds in Steam

Three sets of tests were conducted using a pin-on-disk tribometer to determine the tribological behavior of ceramics at high sliding speeds in steam. In the first set, the speed was increased from 4000rpm to 10,000rpm in 1000 rpm increments. Constant rotational speeds of 4000rpm, 6000rpm, 8000 rpm and 10,000 rpm were used in the second test series. In the third series of tests, the rotational speed was slowly increased to 10,000rpm and allowed to coast down to zero. While the coefficient of friction for silicon nitride/YTZP pair varied between 0.2 and 0.4 without a clear pattern as the speed was increased in the first two test series, it decreased from about 0.6 to 0.2 when the speed was raised to 10,000 rpm in the third test series. This behavior is attributed to the general phenomena of powder lubrication as the wear debris provides an interfacial layer leading to reduced friction at high speeds. The coefficient of friction for silicon nitride/silicon carbide pair was substantially reduced to about 0.02 as the speed was raised. The low coefficient of friction, however, increased to a high level as the speed was further increased. The drop in friction is explained based on analysis of elasto-hydrodynamic lubrication assuming that a water film containing solid particles exists at the interface. Several possible mechanisms are suggested for the transition to a higher friction as the speed is raised: thermal effects at high flash temperatures, low residence times (for water adsorption on surface), collapse of the lubricant film and starvation effects.     

SiC-BN及Si-B-C-N复合陶瓷的研究进展

从制备工艺、组织结构及其性能的角度综述了晶态SiC-BN及非晶Si—B-CN陶瓷材料的研究进展情况,并对碳化硅一氮化硼及非晶SiB-C—N陶瓷材料的研究方向提出一些见解。