软脆铌酸锂晶体磨削的实验仿真研究

针对铌酸锂晶片在磨削加工时经常发生断裂的问题,对晶片断裂的原因进行了理论分析,并从晶体学的角度分析发现断裂与实验采用的晶片晶体结构有关。提出了基于多物理场耦合软件COMSOL Multiphysics对铌酸锂晶片磨削加工仿真的方法,为模拟铌酸锂晶片磨削减薄过程,对比分析了7种不同厚度的铌酸锂晶片在磨削加工时的应力分布和变形情况,对有外加电载荷磨削加工情况也进行了耦合仿真。研究结果表明,未施加电场时铌酸锂晶片的变形量随着晶片减薄过程逐渐减小,当铌酸锂晶片减薄至80μm时,晶片的外围出现均匀分布的4个应力集中位置,容易导致晶片产生裂纹甚至破裂;铌酸锂晶片变形量因外加电载荷而减小,因此合理施加外电场能够有效减弱晶片的应力集中趋势。     

温度对铌酸锂晶片磨削减薄的影响

目的研究温度对铌酸锂晶片的磨削减薄影响。方法利用恒温水浴装置对磨削减薄过程中的铌酸锂晶片进行温度控制,将铌酸锂晶片减薄至80μm,并将温度分别控制在室温25、45、60、75℃,所用设备为卧式减薄机,杯形砂轮的转速为200 r/min,工件进给量为0.002 mm/min。结果 SEM结果显示,铌酸锂晶片磨削后会有不同程度的断裂。利用TEM测试发现,温度为25℃时,铌酸锂晶片是单晶结构。温度为45℃时,内部既有单晶结构,也有多晶结构。随着温度的上升,铌酸锂晶片多晶结构的比重逐渐增大,单晶结构越来越少。因此,温度对改变铌酸锂晶体的内部结构有着十分重大的意义。利用仿真软件COMSOL Multiphysics中特有的压电模块及多场耦合功能对本实验研究对象进行模拟仿真,结果表明,随着温度的变化,铌酸锂晶片的变形位移逐渐增大,铌酸锂晶片所受到的应力也逐渐增大,且边缘部分应力最大。结论温度会直接影响铌酸锂晶片的内部结构,甚至会导致断裂破损量的增大,所以在加工过程中,需要控制温度的变化,以避免温度的不良影响。