FIB轰击辅助脆性材料SEM在线纳米切削的实验研究

摘要

随着制造业飞速发展，微纳加工技术得到了广泛发展和应用。由于纳米切削加工形成的表面/亚表面损伤会影响零件的物理力学性能和使用寿命，要提高零件加工的完整性，需要深入研究纳米切削的加工机理和加工工艺的优化方法。本文对纳米切削的研究现状进行了综述，基于实验室自主搭建的扫描电镜在线纳米切削平台，开展了典型脆性材料单晶硅、碳化硅的金刚石刀具SEM在线观测纳米切削实验，并探究了FIB镓离子注入辅助脆性材料纳米切削的优化方法，论文的主要研究内容如下：
　　（1）为了精确分析和定量表征FIB轰击单晶硅引入的损伤特征，论文首先开展了Ga离子注入单晶硅的蒙特卡洛模拟研究，利用SRIM模拟方法对Ga离子轰击单晶硅、锗等典型脆性基底材料进行仿真分析。随后，论文开展了对单晶硅进行Ga离子注入的可控实验研究，同时基于聚焦离子束FIB制备透射电子显微镜(TEM)样品的方法和工艺研究，实现了 FIB轰击改性单晶硅的改性层TEM样品制备和相关损伤TEM表征分析。
　　（2）基于SEM在线纳米切削平台，开展了离子注入辅助单晶硅的纳米切削实验研究。从材料的脆塑转变深度和加工表面质量等角度，对比研究了经过FIB Ga离子改性（FIB镓离子能量为30keV，注入剂量为5×1016ions/cm2）和未经过离子改性的单晶硅，在金刚石刀具SEM在线纳米切削过程中的差异。研究发现，在相同切削深度下，改性后单晶硅基底材料为塑性区除，加工表面质量光滑；而未改性的加工表面则出现脆性去除，已加工表面出现脆性凹坑。
　　（3）为了探究亚表面损伤对后续加工质量的影响规律，基于SEM在线纳米切削平台，开展了多次重复切削的实验研究。利用75nm刃口半径的金刚石刀具开展了单晶硅的连续多次纳米切削的加工研究。研究发现当重复纳米切削的单次切削厚度小于单晶硅脆塑转变深度时，已切削加工表面会周期性出现微小凹坑等脆性去除现象。当切削厚度较小时，已加工表面的脆性凹坑随着纳米切削的进行逐渐变浅及消失。
　　（4）论文最后开展了碳化硅材料的离子注入辅助SEM在线纳米切削实验研究。首先对碳化硅材料进行离子注入改性，然后运用金刚石刀具对碳化硅离子注入/未注入表面进行单次和多次纳米切削对比实验研究。研究发现，离子注入后的碳化硅与未改性的碳化硅相比，脆塑转变厚度增加，加工表面质量提升。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 研究背景和意义

1.2 纳米切削机理研究现状

1.3 离子注入研究现状

1.4 课题的研究内容和目标

第2章 单晶硅离子注入基础及实验研究

2.1 FIB/SEM工作原理

2.2 离子注入的蒙特卡洛模拟研究

2.3 离子注入实验研究

2.4 本章小结

第3章 离子注入改性层的TEM样品制备及表征

3.1 TEM系统介绍

3.2 TEM样品制备

3.3 本章小结

第4章 单晶硅纳米切削实验研究

4.1 纳米切削实验平台介绍

4.2 金刚石刀具的制备

4.3单晶硅纳米切削实验研究

4.4 本章小结

第5章 碳化硅纳米切削实验研究

5.1 碳化硅介绍及研究意义

5.2 SiC离子注入辅助纳米切削实验研究

5.3 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 课题研究总结

6.2 课题展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢