基于SEM原位在线观测的纳米切削装置

摘要

本发明提供一种基于SEM原位在线观测的纳米切削装置，包括基座(1)，位于基座(1)两侧的具有相同高度的两块立板(10)，扫描电子显微镜(2)，纳米移动台(4)，包括上微动台(8)和下微动台(9)的多轴精密微移动台，金刚石刀具(3)，隔离板(5)样品托(7)，隔离板(5)与立板(10)相连并悬于下微动台的上方，中间开设有孔洞，下微动台(9)置于基座(1)上；上微动台(8)置于下微动台(9)上面，通过孔洞伸出；纳米移动台(4)置于隔离板(5)上，带动金刚石刀具(3)进行切削运动。本发明结构简单，稳定可靠，可以实现原位观测功能，而且对刀容易，提高了加工的灵活性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种纳米切削装置，具体而言，涉及一种基于SEM(扫描电子显微镜)高真空环境下进行纳 米切削的实验装置，该装置可应用于纳米切削机理的实验研究。

背景技术

由于纳米切削中切削厚度已与刀具刃口半径为同一数量级，受到材料尺寸效应、刀具刃口效应和切削 比能急剧增加等尺度效应的影响，在材料去除机理等方面纳米切削已与传统切削存在显著不同。传统剪切 理论已无法有效解释和分析纳米切削加工结果和现象，亟需深入系统针对纳米切削机理中存在的新现象与 新规律开展相关研究。

目前，对纳米切削机理的实验研究主要利用超精密车床对材料进行极限切削。但是基于超精密车床的 极限切削研究存在切屑观测困难、在线搜集工艺复杂等难题，而且相关离线表征分析中也会额外引入不确 定因素，包括空气氧化、灰尘污染等，不利于纳米切削机理研究。

另外，有人在SEM中对材料进行纳米压痕实验，但是金刚石压头结构参数与刀具参数差别巨大，如无 法实现刀具前后角等，降低了纳米切削加工相关机理研究的有效性和真实性。

发明内容

本发明的目的在于，克服上述现有纳米切削机理研究方法的不足，提出一种可以实现原位在线观测功 能的纳米切削装置，用以更好地研究纳米切削机理。

本发明的目的是通过下述方案实现的：

一种基于SEM原位在线观测的纳米切削装置，置于真空腔内，包括基座(1)，位于基座(1)两侧的具有 相同高度的两块立板(10)，扫描电子显微镜(2)，纳米移动台(4)，包括上微动台(8)和下微动台(9)的多轴 精密微移动台，金刚石刀具和刀柄(3)，隔离板(5)样品托(7)，其中，隔离板(5)与立板(10)相连并置于下 微动台的上方，中间开设有孔洞。隔离板(5)与下微动台(9)之间相隔一定距离，下微动台(9)置于基座(1) 上，具有X、Y自由度；上微动台(8)置于下微动台(9)上面，通过隔离板(5)上的孔洞伸出，上微动台(8) 具有Z、R自由度；纳米移动台(4)置于隔离板(5)上，具有X轴、Y轴、Z轴三个自由度，带动金刚石刀具 (3)进行切削运动，X轴是切削深度方向，Y轴是切削方向，Z轴用于微调样品与刀具直线刃的位置高度关 系；样品托置于上移动台上；扫描电子显微镜(2)用于进行切削加工的原位在线观测。

本发明提出的基于SEM原位在线观测的纳米切削装置，用于纳米切削机理的实验研究，与传统的超精 密车削方法相比，具有以下显著优势：

首先，本发明应用在SEM高真空环境下研究纳米切削机理，可以实现在线观测功能，便于原位分析材 料的纳米去除模式、切屑形态以及材料的加工表面质量。

其次，对刀过程在SEM的监测下进行，操作灵活，容易对刀，显著提高实验效率。多维纳米移动台具 有纳米级定位精度及分辨率，能够控制切削深度达到纳米量级甚至小于刀具刃口半径。

另外，如果在大气环境下进行切削实验，然后利用SEM对其结果进行离线分析表征，材料会额外引入 空气氧化、灰尘污染等不确定因素。本发明基于SEM的真空环境进行原位实验，避免上述不确定因素的发 生。

附图说明

图1是纳米切削装置结构图。

图2是沿SEM观测方向切削过程原理图。

图3是单晶铜纳米切削过程SEM照片

图4（a）是单晶硅脆塑转变实验SEM照片。

图4（b）是单晶硅脆性切削实验SEM照片。

附图标记：1基座；2SEM；3金刚石刀具及刀柄；4多维纳米移动台；5隔离板；6样品；7样品 托；8上微动台；9下微动台；10立板。

具体实施方式

本发明应用与纳米切削机理的实验研究中，其步骤如下。

参见图1纳米切削装置结构图。

整体的切削装置具有：基座1；SEM2；多维纳米移动台4；多轴精密微移动台（包括上微动台8和下 微动台9）；金刚石刀具和刀柄3；隔离板5；立板10；样品6；样品托7；

上微动台8包括Z、R自由度，下微动台9包括X、Y自由度，其中上微动台8通过螺纹固定于下微动 台9上。纳米移动台4具有X、Y、Z三个自由度，带动金刚石刀具3进行切削运动，X轴是切削深度方向， Y轴是切削方向，Z轴用于微调样品与刀具直线刃的位置高度关系。

立板10通过顶丝固定在基座1上面，中间开设有孔洞，为了使上微动台8的Z向移动和下微动台9 的X、Y方向移动与隔离板5不产生干涉。它将纳米移动台4和多轴精密微移动台分离，实现样品6与刀 具3的相对运动。隔离板5与下微动台之间距离约为5mm。如果不使用隔离板5，直接将纳米移动台4固 定在下微动台9上，则刀具与样品随着下微动台9一同移动，不能够使样品靠近刀具完成切削。

图2是沿着SEM2观测方向的纳米切削过程俯视图，通过SEM2在线观测材料去除方式。切削加工之后， 通过基座1的T轴，旋转样品一定角度，即能观察材料已加工表面的表面质量。

参见图1，首先将样品6粘在样品托7上，或者螺纹紧固，并将样品托7通过顶丝固定在上微动台8 上。立板10通过顶丝紧固在装置基座1上。顶丝可以通过人为旋紧或者松动来微调金刚石刀具3在SEM2 视野中的位置。将纳米移动台4通过螺纹安装在隔离板5上，再将金刚石刀具与刀柄3螺纹紧固在纳米移 动台4上。完成安装工序并将装置推入SEM真空腔内。

然后，通过PC控制下微动台9带动样品6在X、Y方向迅速靠近刀具3，控制上微动台8在Z方向调 整样品与刀具高度相同。样品置于待切削区域。通过纳米移动台4控制金刚石刀具3预切削材料表面，然 后退回，使刀具的直线刃与样品6表面平行，并且此时刀具位置为切削深度为零处。

最后，控制金刚石刀具3沿切深X方向纳米量级进给，并控制刀具沿Y方向进行对材料的切削实验。 同时，通过SEM2对切削过程在线观测，分析材料去除机理和切屑形态以及材料表面质量，完成纳米切削 实验。

实施例1

利用直线刃金刚石刀具对单晶铜材料进行纳米切削，研究材料去除机理。采用5kV加速电压和98pA 的束流观测，切削深度设为50nm，切削速度设为10nm/s。原位在线观测纳米切削过程，图3是切削过程 某一时刻的SEM图。

实施例2

利用直线刃金刚石刀具对单晶硅材料进行纳米切削，研究脆性材料的脆塑转变厚度。采用5kV加速电 压和98pA的束流观测，斜切实验切削深度范围为50nm～0nm，切削速度设为10nm/s。原位在线观测纳米切 削过程，图4（a）和（b）是切削后硅表面形貌SEM图。