机械刻划加工中的摩擦特性研究

发布时间：2018-05-16 11:18

本文选题：黏着 + 摩擦机理　；参考：《山东大学》2017年硕士论文

【摘要】：随着微机电技术的发展,对微、纳尺度微细结构的加工技术提出了更高要求。机械刻划加工技术可灵活方便地实现微细结构的加工,成为近年来研究的热点。本文对机械刻划加工中探针与材料间的摩擦特性进行研究,揭示材料去除与微结构成形的机理,对机械刻划加工工艺的优化,具有重要意义。本文通过实验与仿真相结合的方法,研究了纳米尺度下的黏着力变化规律;建立了微纳刻划过程摩擦系数计算模型,通过对实验结果的分析,将机械刻划加工中的摩擦区分为界面主导摩擦与耕犁主导摩擦两种类型;利用分子动力学仿真,从原子角度对刻划机理进行仿真研究;分析了界面主导的摩擦与耕犁主导的摩擦特性对加工表面的影响规律。从实验角度,基于原子力显微镜证实了纳米尺度黏着现象的存在,并利用分子动力学仿真方法,对纳米尺度不同实验参数对黏着的影响机理从原子角度进行分析。结果显示:单晶硅纳米水平下的黏着现象受法向载荷的影响,且随压入深度、探针半径、脱离速度的增大而增大,仿真黏着力数值受塑性变形量的影响,塑性变形量越大,黏着力越大。在微纳尺度上,以单晶硅试样在刻划过程中的摩擦机理为研究重点,建立了摩擦系数的数学计算模型,并应用此模型讨论不同实验参数对摩擦机理的影响,从而揭示微纳尺度单晶硅刻划中的摩擦机理。得出:以界面摩擦主导的刻划实验发现:随着刻划速度、刻划距离、刻划次数的增大界面摩擦系数呈减小趋势,当刻划速度为6μms-1、刻划距离为15μm、刻划次数为5次时,界面摩擦系数开始小于耕犁摩擦系数,摩擦机理开始由界面摩擦主导向耕犁摩擦主导转变。以耕犁摩擦主导的刻划实验发现:随着刻划载荷、刻划距离增大,耕犁摩擦系数不断增大,并且当刻划载荷达到10mN时,耕犁摩擦系数大于界面摩擦系数,探针-试样间的摩擦机理开始向耕犁主导的摩擦转变。刻划次数对摩擦系数影响规律与其他实验参数的影响规律存在明显差别。低载荷下(1mN),始终以界面摩擦为主导地位;但是在高载荷下(10mN),随着刻划次数增加,摩擦机理由耕犁主导的摩擦开始向界面与耕犁组合的摩擦转变。低速下(刻划速度4μms-1),探针-试样间以黏着导致的摩擦为主,随着相对滑动速度的增大(刻划速度6μms-1),主导滑动过程中摩擦力的因素转变为表面层变形甚至磨损,发生摩擦机理的转变。通过对刻划过程的仿真得到:在探针前下方的试样原子由于探针刻划的挤压作用受到较大的压应力值(200GPa),在已刻划的表面,则产生明显的拉应力。随着刻划深度、刻划距离、探针半径的增加,受拉、压应力的原子数增多,探针-试样接触面积增大,摩擦力逐渐增大。在以界面摩擦主导的加工条件下:刻划次数增多,槽型钝圆半径减小,更加接近实际探针形状。当累积刻划距离40μm时,随着累积刻划距离增大、刻划次数增大,沟槽内更易产生裂纹,甚至出现层裂现象。随着压入深度增大(32nm),更多的材料以材料堆积或碎屑的形式去除,沟槽两侧隆起现象减弱。当刻划速度≤6μms-1,沟槽内材料的不连续堆积现象随着刻划速度增大而减弱。在以耕犁摩擦主导的加工条件下:沟槽两侧不平度与界面、耕犁摩擦系数比有关。摩擦系数比减小,沟槽两侧面不平度减弱。材料隆起的消失与摩擦机理的转变有关。当刻划载荷10mN时,随着刻划载荷增大,隆起高度增大,隆起凸峰个数减少;当刻划载荷10mN时,随着刻划载荷增大(18mN),沟槽两侧隆起现象减弱直至消失。随着刻划次数增多,耕犁作用加强,刻划末端材料堆积现象加剧。
[Abstract]:With the development of micro - electromechanical technology , the processing technology of micro - nano - scale micro - structure is higher . The mechanism of friction between probe and material in mechanical scribing process is studied . Under high load ( 10 mN ) , the friction between the two sides of the groove is increased with the increase of the scratch depth ( 4 渭m ~ 1 ) , the friction between the probe and sample is increased , and the friction mechanism changes . As the scribing speed is less than 6 渭m ~ 1 , the number of friction is decreased .

【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TH16

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