单晶硅塑性域切削工艺条件研究与微透镜阵列加工应用

发布时间：2020-09-19 21:33

　　近年来,单晶硅作为一种优良的单晶材料,在太阳能发电、集成电路、红外光学系统等许多产品上发挥着重要的作用。但是,单晶硅的一个显著特性是硬脆性,加工过程中非常容易由于材料发生脆性断裂而出现微裂纹和凹坑,不利于光滑加工表面的实现。加工得到的单晶硅器件不仅要求拥有良好的表面质量,还要求具备越来越复杂的表面,如微透镜阵列,以发挥更优良的使用性能和拥有更广的使用范围。通过纳米压痕技术和维氏压痕技术对单晶硅的材料特性进行测试分析,计算得到弹性模量、硬度、断裂韧性三个重要的材料性能指标。对单晶硅切削加工过程进行建模,完成单晶硅切削加工切削比能模型的建立,并基于切削比能模型建立脆塑转变临界切削厚度预测模型,仿真分析切削过程中加工参数、刀具参数等对临界厚度的影响规律,设计切削加工实验完成模型正确性的检验。并为下一步单晶硅微透镜阵列等加工应用的加工参数确定提供依据。开展单晶硅铣削加工实验,在获取单晶硅临界厚度值的基础上确定加工参数范围。借助扫描电镜和拉曼光谱仪对切屑和加工表面进行观测,分析不同刀具类型对单晶硅铣削表面形成机理和切屑形态的影响。将加工表面的拉曼光谱信息进行处理分析,用于表征单晶硅铣削加工后的加工损伤,分析了每齿进给量、刀具类型、润滑条件对加工表面的形貌和加工损伤的影响。此外,对不同刀具类型加工时的刀具磨损情况进行了分析。完成对不同类型微透镜阵列表面进行数学建模,在此基础上结合四种微透镜阵列加工策略完成铣削轨迹规划。建立微透镜阵列表面加工误差评价流程,通过模板匹配技术对测量数据点进行预处理,结合强化学习理论建立微透镜阵列表面匹配模型,完成测量数据点与设计数据点的最大程度的贴合,便于对加工后的微透镜阵列进行评估。开展了3×3单晶硅微透镜阵列铣削加工实验,分析不同加工参数和加工轨迹对微透镜阵列铣削效果的影响,借助激光共聚焦显微镜对透镜表面误差进行评价。通过对单晶硅塑性域切削相关研究,并且结合单晶硅微透镜阵列上的加工应用,有助于提升加工得到的单晶硅器件的使用性能、使用寿命和使用范围。
【学位单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TQ127.2
【部分图文】：

单晶硅,研磨过程,大尺寸,加工工艺

源受到国家自然科学基金面上项目“基于刀具变形和工件亚表层质量预超精密铣削加工运动规划”（编号：51475188）和国家杰出青年科学基技术与装备”（编号：51625502）的资助。景及意义，玻璃、蓝宝石、工程陶瓷、单晶硅等硬脆性材料的精密和超精密加到了多方面的关注，在光伏产业、医疗、半导体、光学器件等领域得。其中的单晶硅作为一种优良的单晶材料，具有导热性能好、机械强度外透过率高的特点。如图 1-1 所示，单晶硅在太阳能发电、集成电路许多产品上发挥着重要的作用。而随着这些产品对核心器件的性能要晶硅的加工制造提出了更高的标准。不仅要求在表面粗糙度上达到纳亚表层无损伤甚至低损伤，而且要求具备越来越复杂的表面，如微透镜良的使用性能和拥有更广的使用范围。

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初步评估其切削性能。通过单晶切削力模型基础上建立单晶硅切预测单晶硅脆塑转变临界切削深塑性域内加工从而得到光滑表面实验与分析分析记录压头上施加的载荷和压入样荷位移曲线能够计算材料弹性模原位纳米压痕仪（Hysitron TI75小施加载荷可以达到 μN 甚至 nN晶硅的微观力学特性。测试时在值。单晶硅纳米压痕实验中采取最大载荷为 8mN。

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科技大学硕士学位载荷随位移的变化情况。加载过程中，随着施也随着增加，载荷与位移之间的关系为非线性，卸载过程中材料会发生一定程度的弹性恢复得力学性能发生变化，卸载曲线出现一个明显压头痕迹，通过原位纳米压痕仪的原位扫描探留痕迹如图 2-3 所示，可以看到压痕形状是与压而隆起，除此之外压痕四周光滑平整，没有任中，当最大载荷小于 8mN 时，硬脆性材料单性断裂。

【参考文献】