单晶锗固液两相流研磨抛光仿真及实验研究

发布时间：2020-05-21 08:54

【摘要】：单晶锗具有良好的物理化学性质,使其在诸多领域具有广泛应用。随着相关领域及技术的不断发展,对单晶锗材料加工效率、加工表面精度及表面残余应力等方面提出了更高的要求。为解决上述问题单晶锗研磨抛光技术得到发展,目前,提高单晶锗工件表面材料去除速率、抛光后工件表面质量是国内外诸多学者研究的重点,抛光过程中材料去除机理没有还需要进一步深入研究。为此,考虑实验成本等因素,本文基于非接触模型理论采用仿真的方法分析抛光过程中固-液两相流作用对材料去除速率和表面质量的影响,并搭建实验平台进行相关实验。主要研究内容如下:首先,根据材料去除与冲击磨削理论,以ABAQUS有限元仿真软件为平台,建立单颗粒冲击仿真模型,分析冲击速度、冲击角度、磨粒尺寸、磨粒材料等因素对单晶锗冲击变形效果的影响。随后建立了多颗粒冲击仿真模型,对实验可控制的磨粒尺寸与磨粒材料两个因素进行仿真,并对冲击后的材料表面变形面积与残余应力大小进行分析。分析可知,抛光时应首先考虑磨粒粒径,然后根据加工要求选择合适的磨粒材料与弹性模量。然后,根据两相流作用理论、颗粒动理论及其他相关数学模型,以Fluent有限元仿真软件为平台,根据实际抛光过程中载物盘、试件、抛光液(多相流)、抛光垫四者之间的运动与位置关系建立了固液两相流抛光模型。对影响试件边缘过度磨削的抛光液冲击、磨粒尺寸和磨粒材料三个影响因素分别进行仿真分析。分析可知,为保证加工速度,降低边缘过度磨损,可选择尺寸、密度较大的磨粒进行加工。同时,建立了固液两相流抛光实验-检测系统,该实验系统主要由以下设备与物品组成:辅助装置(加热平台、滴料器);UNIOPL-1200S自动压力研磨抛光机;实验材料(抛光液、抛光垫);检测设备(电子天平、粗糙度测量仪、五自由度高分辨衍射仪),展开了单晶锗固液两相流抛光实验。最后,在理论分析与仿真模拟的基础上,利用已建立的实验系统对单晶锗片进行抛光实验研究。通过单因素实验法研究不同磨粒材料与磨粒粒径对单晶锗片固液两相流抛光材料去除速率、表面粗糙度、边缘磨损和表面残余应力的影响。通过实验验证仿真的有效性,并对固液两相流超精密加工工艺的改善提供理论指导。其中选择0.1微米金刚石磨粒可获得最佳表面平整度,验证了仿真的有效性。
【图文】：

单晶锗,晶面,弹性模量,理论值

图 1.1 单晶锗（001）、（110）、（111）晶面弹性模量理论值Fig.1.1 Modulus of elasticity theoretical value of single crystal germanium on (001), (110),(111) crystal surface由图 1.1 可观察：同晶面下单晶锗材料的弹性模量 E 随受到磨粒运动所产生的冲击角度不同成周期性变化的各向异性。1.3.3 单晶锗生产过程与其加工性能单晶锗从原生晶体加工至无损伤镜面清洁薄片，，需经历机械加工、纯化学工艺及混合工艺[9]。在使用不同工艺加工的过程中，由于加工工艺、加工目的不同，导致加工所达到的表面粗糙不同存等在差异。在加工过程中使用了如滚圆、切割、倒角、研磨、抛光等机械加工技术。滚圆是为了将生长出的锗锭加工成规定直径的晶棒；切割是为了将晶棒切成要求大小的晶片；倒角是为减轻由于切割引起的边缘崩坏；研磨用来对切割后的晶片进行平坦化并去除厚度偏差；抛光是形成平整光滑表面的重要过程，直接关系到产品是否合格，其目的是去除之前加工造成

模型图,接触状态,模型,抛光液

第一章结果显示抛光液中的磨粒轨迹是抛物线。Terrell[43]等采用流固耦合液中磨粒速度与分布对工件的冲击次数，并对材料去除率进行了评4]等基于一般润滑方程、流体动力学理论、弹性接触理论的润滑模型下的抛光液在不同压力、旋转速度条件下液膜厚度和剪切应力变化究表明，液膜剪切应力随加工的正压力增加而增加，正压力越大对力影响越明显。
【学位授予单位】：昆明理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O786;TN304.11

【参考文献】