Li_2O-Al_2O_3-SiO_2微晶玻璃超光滑表面纳米划痕产生机理及抑制实验研究

对Li2O-Al2O3-SiO2微晶玻璃超光滑表面进行了纳米划痕实验,测得微晶玻璃超光滑表面弹性-塑性与塑性-脆性转变的临界载荷分别为3.906 mN和29.78 mN.通过对微晶玻璃超光滑表面划痕产生机理进行分析,得出在纳米尺度的抛光加工过程中,抛光颗粒的载荷越接近弹塑转变临界载荷,则样品表面产生的划痕越少,越易获得无划痕的超光滑表面.通过对比抛光工艺优化前后的实验结果,可以看出优化后的抛光工艺对超光滑表面划痕的抑制效果较明显,证实了上述研究结果的正确性.该研究结果对于Li2O-Al2O3-SiO2微晶玻璃超光滑表面加工具有一定的指导意义.     

Li2O-A12O3-SiO2微晶玻璃超光滑表面纳米划痕产生机理及抑制实验研究

对Li2O-A12O3-SiO2微晶玻璃超光滑表面进行了纳米划痕实验,测得微晶玻璃超光滑表面弹性一塑性与塑性．脆性转变的临界载荷分别为3．906mN和29．78mN．通过对微晶玻璃超光滑表面划痕产生机理进行分析,得出在纳米尺度的抛光加工过程中,抛光颗粒的载荷越接近弹塑转变临界载荷,则样品表面产生的划痕越少,越易获得无划痕的超光滑表面．通过对比抛光工艺优化前后的实验结果,可以看出优化后的抛光工艺对超光滑表面划痕的抑制效果较明显,证实了上述研究结果的正确性．该研究结果对于Li2O-A12O3-SiO2微晶玻璃超光滑表面加工具有一定的指导意义．     

KDP晶体单点金刚石切削脆塑转变机理的研究

加工超光滑表面的KDP晶体是现代超精密加工技术领域的重点研究课题。实验采用维氏压痕法研究KDP晶体脆性材料(001)面不同晶向的硬度、断裂韧性的变化规律。通过建立KDP晶体脆塑转变临界切削厚度模型,研究了KDP晶体金刚石切削脆塑转变机理。结果表明,脆塑转变临界最小切削厚度出现在断裂韧性最小而硬度最大的[110]方向;脆塑转变临界切削最大厚度出现在断裂韧性最大而硬度最小的[001]方向。并利用超精密机床加工了KDP晶体,加工结果与理论推导结论相符合,在[001]方向加工出表面粗糙度为7.5nm(RMS)的超光滑表面。     

基于划刻实验的单晶锗材料去除机理研究

采用Cube压头对单晶锗进行变载与恒载纳米划刻实验, 利用扫描电子显微镜和原子力显微镜对已加工表面进行观测, 根据表面形貌将划刻过程分为延性域、脆塑转变域及脆性域三种, 对各个阶段的表面成型及材料去除方式进行了研究。使用最小二乘法对不同阶段划刻力进行非线性拟合, 并利用相关系数检验拟合函数可靠性, 结果表明划刻力与划刻深度存在强相关性。同时分析了单晶锗的弹性回复率随划刻距离的变化趋势, 结果表明工件的弹性回复率将从纯弹性阶段的1逐步回落至0.76左右。基于脆塑转变临界载荷, 以裂纹萌生位置作为脆塑转变标志, 首次结合工件已加工表面弹性回复, 提出一种适用于计算单晶锗的脆塑转变临界深度模型, 其脆塑转变临界深度为489 nm。     

Li_2O-Al_2O_3-SiO_2微晶玻璃超光滑表面纳米硬度实验研究

介绍了纳米压痕技术的原理和方法.采用三角锥形Berkovich金刚石压头对Li2O-Al2O3-SiO2微晶玻璃的超光滑表面(Ra=0.079 nm)进行了纳米压痕实验.结果表明,当载荷低于300 mN时,微晶玻璃表现出延性特性.此外,在不同的载荷条件(20 mN~300 mN)下微晶玻璃的硬度和弹性模量存在较大的差异,分析其原因分别是纳米压痕的尺寸效应和材料发生了塑形变形.通过将实验得到的微晶玻璃的纳米硬度值与传统计算方法得到的硬度值进行比较,发现传统方法得到的硬度值较大,其原因是传统硬度计算方法忽略了材料的弹性恢复.     

几种单晶半导体材料在压痕下的变形与断裂行为比较

采用显微压痕方法研究了Si、Ge、GaAs和InP四种半导体单晶的变形与断裂行为.通过测量[100]取向单晶体面内的显微硬度,裂纹开裂的临界压痕尺寸以及断裂韧性,分析了这四种材料力学性能的面内各向异性行为.结果表明:在压痕载荷的作用下,Si和Ge的塑性变形以剪切断层为主,而GaAs和InP则通过滑移系的开动协调变形.[100]取向的Si、Ge、GaAs和InP四种单晶的面内显微硬度、弹性模量和断裂韧性表现出不同程度的各向异性.裂纹长度与压痕尺寸间的关系表明,与GaAs和InP相比,Si、Ge具有较小的临界压痕尺寸和拟合直线斜率,这一临界压痕尺寸和拟合直线斜率的变化规律分别与材料的硬度和断裂韧性的变化规律一致.     

石英玻璃表面改性后的力学特性分析

改变石英玻璃表面的硬度和弹性模量能提高脆性-延性转变的临界磨削深度,实现延性模式磨削。本文通过利用Na2CO3溶液和石英玻璃成分发生化学反应的方法对石英玻璃表面进行改性,并基于纳米压痕法和划痕法对改性后的石英玻璃表面进行分析,研究改性后石英玻璃表面的力学性质和材料去除过程。通过纳米压痕实验表明,Na2CO3溶液中的OH-和石英玻璃发生化学反应,能够在石英玻璃表面生成厚度约为12nm非SiO2成分的物质薄膜,降低了石英玻璃表面硬度和弹性模量,5%、15%的Na2CO3溶液分别使石英玻璃表面硬度降低了4.4%和14.2%,使弹性模量分别降低了9.4%和12.0%,理论脆延转换临界磨削深度分别被提高了3.7和39.1%,从而提高了石英玻璃延性磨削的可操作性。     

脆性材料超精密磨削时脆转变临界条件的研究

以脆性材料的压痕实验为基础,从理论上分析了脆性材料磨削时脆塑转变的临界条件,并利用超精密磨床进行脆性材料的磨削实验。实验结果表明,只有当脆性材料的磨削深度小于其临界磨深时,才能实现脆性材料的塑性域磨削,以获得超光滑的加工表面。     

磁控溅射制备(Ti,Al,Cr)N硬质薄膜及其力学性能的研究

用反应磁控溅射的方法通过改变Cr靶溅射功率在不锈钢基体卜沉积不同Cr含量TiAlCrN薄膜.采用台阶仪测量薄膜厚度;采用纳米压痕仪测量薄膜的硬度、弹性模量和薄膜与基体的结合力.沉积的TiAlCrN薄膜随着Cr含量增加,薄膜硬度先增大,而后减小;TiAlCrN薄膜的第一临界载荷和第二临界载荷均随Cr含量增加而增大.     

微纳米尺度单晶铜各向异性表面切削特性实验研究

利用纳米压痕仪和原子力显微镜对微纳米尺度下单晶铜各向异性表面在不同载荷和刻划速度下的切削特性进行实验研究。结果表明:单晶铜各晶面表面在较低载荷下,划痕细小且不明显。随着载荷的逐渐增大,划痕深度和宽度逐渐变大,并形成明显的沟槽,在沟槽的两侧出现明显的侧流现象,探针前方出现切屑堆积,尤其单晶铜Cu(100)切屑堆积较明显;单晶铜Cu(100)在刻划速度为10μm/s、50μm/s时,切削力无明显变化规律,其余两晶向都是在同等载荷下,刻划速度越大,切削力越大。随着刻划速度的增大,切削力趋于稳定;载荷越大,切削力越大,其相应摩擦系数也增大。