光学石英玻璃在超精密加工过程中的纳观物化行为研究
发布时间：2021-08-30 01:07
光学石英玻璃为各项同性的非晶态固体材料,因其在结构和性能上具有高度均匀性、特定且精确的光学常数、良好的透明性、耐高温、耐腐蚀以及高强度和硬度等特点,被广泛运用在光学领域,是美国的国家点火设施（NIF）和我国重大惯性约束核聚变项目（ICF）—神光工程激光装置中透镜、防溅射片和衍射镜等光学元件的主要制作材料。石英玻璃在广泛应用的同时,由于其硬度大、脆性大、断裂韧性低,使其成为典型的难加工材料之一,加工过程中很容易产生表面/亚表面加工缺陷,如磨削加工中的烧伤、研磨过程中的微裂纹和亚表面致密化等,使其很难形成纳米级的光学表面,严重影响光学系统的稳定性、透光率和使用寿命等重要性能指标。目前石英玻璃的主要加工方式是超精密磨削、研磨后化学机械抛光（CMP）。通过抛光能有效的去除磨削过程带来的损伤,提高表面质量,抛光后的表面精度能够达到纳米级。CMP是具有复杂的机械,化学,热等多因素耦合的过程,表面材料在微观尺度被去除,很难通过单纯的实验来研究CMP过程中的物化行为。本文利用分子动力学模拟,引入化学反应力场（ReaxFF）对化学作用进行描述,对石英玻璃的材料去除机理进行研究。首先利用MD技术将石英晶体...
【文章来源】：大连理工大学辽宁省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：79 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
1.1 课题的来源、研究背景和意义
1.1.1 课题来源
1.1.2 课题的研究背景和意义
1.2 脆硬材料塑性域加工技术
1.3 化学机械抛光技术
1.3.1 化学机械抛光技术简介
1.3.2 石英玻璃CMP加工研究现状
1.4 分子动力学仿真技术
1.4.1 传统分子动力学方法研究材料加工性能现状
1.4.2 基于化学反应分子动力学方法的研究进展
1.4.3 分子动力学模拟方法存在的问题
1.5 本文的主要工作
2 分子动力学技术原理
2.1 引言
2.2 分子动力学的原理和参数设置
2.2.1 分子动力学的基本原理
2.2.2 系综的选择
2.2.3 传统分子动力学的势能函数
2.2.4 ReaxFF反应力场
2.2.5 边界条件的设定
2.2.6 时间步长的选取
2.3 分子动力学仿真软件
2.4 本章小结
3 石英玻璃在CMP过程中材料去除机理研究
3.1 研究目标和方法
3.2 ReaxFF力场的选取
3.3 适用于化学反应的仿真模型的建立
3.3.1 石英玻璃和水MD仿真模型的建立
3.3.2 石英玻璃和水模型的验证
3.4 石英玻璃和水相互作用
3.4.1 石英玻璃和水界面反应模型的建立
3.4.2 石英玻璃表面羟基化过程
3.5 石英玻璃表面原子在CMP中去除过程
3.5.1 石英玻璃水环境下划擦模型的建立
3.5.2 界面Si-O-Si键的形成机理
3.5.3 石英玻璃表面原子去除过程
3.5.4 多个Si-O-Si键协同作用
3.6 本章小结
4 加工参数对石英玻璃纳观物化行为的影响
4.1 界面压力的影响
4.1.1 模拟参数设置
4.1.2 界面压力对材料去除率的影响
4.1.3 界面压力对材料去除形式的影响
4.2 抛光速度的影响
4.2.1 模拟参数的设置
4.2.2 抛光速度对材料去除率的影响
4.2.3 抛光速度对材料去除形式的影响
4.3 石英玻璃表面化学状态的影响
4.3.1 模型建立和模拟参数的设置
4.3.2 石英玻璃表面化学状态对材料去除率的影响
4.3.3 石英玻璃表面化学状态对界面Si-O-Si键的影响
4.3.4 石英玻璃表面化学状态对材料去除形式的影响
4.4 温度对石英玻璃超精密加工的影响
4.4.1 纳米压痕模型的建立和模拟参数的设置
4.4.2 温度对石英玻璃力学性能的影响
4.4.3 温度对石英玻璃塑性域范围的影响
4.4.4 温度对石英玻璃亚表面损伤变化的影响
4.5 本章小结
5 石英玻璃表面化学状态对加工性能影响的实验研究
5.1 研究目标和方法
5.2 实验准备和实验方案
5.2.1 纳米压痕、划痕测试原理和设备
5.2.2 石英玻璃试件的准备
5.2.3 实验方案
5.3 纳米压痕实验结果分析
5.4 纳米划痕实验结果分析
5.5 本章小结
结论
参考文献
攻读硕士学位期间发表学术论文情况
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于碱性硅溶胶磨料的石英玻璃的化学机械抛光（英文）[J]. 李洪波,王辰伟,李红亮,张文倩,刘玉岭. 微纳电子技术. 2018(02)
[2]改性抛光剂对光学玻璃抛光质量的影响[J]. 梁尚娟,汤文龙,焦翔,朱健强. 中国激光. 2017(12)
[3]超精度石英玻璃的化学机械抛光[J]. 王仲杰,王胜利,王辰伟,张文倩,郑环. 微纳电子技术. 2017(01)
[4]多晶金刚石固结磨料研磨垫精研石英玻璃的性能探索[J]. 朱永伟,沈琦,王子琨,凌顺志,李军,左敦稳. 红外与激光工程. 2016(10)
[5]软性粒子抛光石英玻璃的材料去除机理[J]. 刘德福,陈涛,陈广林,胡庆. 光学精密工程. 2016(07)
[6]光学石英玻璃CMP抛光液的研究[J]. 牛新环,王建超,赵欣,腰彩红. 微纳电子技术. 2016(08)
[7]石英玻璃的热辅助高效塑性域干磨削[J]. 王伟,姚鹏,王军,黄传真,朱洪涛. 光学精密工程. 2016(01)
[8]光学石英玻璃纳米级加工性能[J]. 郭晓光,翟昌恒,张亮,金洙吉,郭东明. 光学精密工程. 2014(11)
[9]石英玻璃表面改性后的力学特性分析[J]. 仇中军,伊萍,卢翠,房丰洲. 材料科学与工程学报. 2013(01)
[10]CeO2@SiO2纳米复合磨料的制备及其对光学石英玻璃的抛光性能[J]. 陈杨,隆仁伟,陈志刚. 材料导报. 2010(18)
博士论文
[1]纳米晶体材料超精密加工亚表面损伤机理研究[D]. 李甲.湖南大学 2017
[2]ReaxFF反应力场的开发及其在材料科学中的若干应用[D]. 刘连池.上海交通大学 2012
[3]单晶硅纳米级磨削过程的分子动力学仿真研究[D]. 郭晓光.大连理工大学 2008
[4]IC制造中硅片化学机械抛光材料去除机理研究[D]. 苏建修.大连理工大学 2006
硕士论文
[1]镍基合金中五重孪晶形成及变形机理的分子动力学研究[D]. 祝占伟.大连理工大学 2018
[2]钛合金及镍基合金化学机械抛光研究[D]. 史智丰.大连理工大学 2017
[3]基于MD方法的石英玻璃纳米级加工机理研究[D]. 刘涛.大连理工大学 2017
[4]单晶硅磨削过程中损伤演化的MD仿真研究[D]. 李强.大连理工大学 2017
[5]熔石英纳米压痕分子动力学仿真及实验研究[D]. 王昆.哈尔滨工业大学 2012
[6]碱性抛光液对铜平坦化的影响研究[D]. 刘苹.清华大学 2009
[7]氧化铈浆料中无机电解质的加入对ZF7玻璃抛光材料去除速率的显著促进作用[D]. 危亮华.南昌大学 2008
本文编号：3371746
【文章来源】：大连理工大学辽宁省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：79 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
1.1 课题的来源、研究背景和意义
1.1.1 课题来源
1.1.2 课题的研究背景和意义
1.2 脆硬材料塑性域加工技术
1.3 化学机械抛光技术
1.3.1 化学机械抛光技术简介
1.3.2 石英玻璃CMP加工研究现状
1.4 分子动力学仿真技术
1.4.1 传统分子动力学方法研究材料加工性能现状
1.4.2 基于化学反应分子动力学方法的研究进展
1.4.3 分子动力学模拟方法存在的问题
1.5 本文的主要工作
2 分子动力学技术原理
2.1 引言
2.2 分子动力学的原理和参数设置
2.2.1 分子动力学的基本原理
2.2.2 系综的选择
2.2.3 传统分子动力学的势能函数
2.2.4 ReaxFF反应力场
2.2.5 边界条件的设定
2.2.6 时间步长的选取
2.3 分子动力学仿真软件
2.4 本章小结
3 石英玻璃在CMP过程中材料去除机理研究
3.1 研究目标和方法
3.2 ReaxFF力场的选取
3.3 适用于化学反应的仿真模型的建立
3.3.1 石英玻璃和水MD仿真模型的建立
3.3.2 石英玻璃和水模型的验证
3.4 石英玻璃和水相互作用
3.4.1 石英玻璃和水界面反应模型的建立
3.4.2 石英玻璃表面羟基化过程
3.5 石英玻璃表面原子在CMP中去除过程
3.5.1 石英玻璃水环境下划擦模型的建立
3.5.2 界面Si-O-Si键的形成机理
3.5.3 石英玻璃表面原子去除过程
3.5.4 多个Si-O-Si键协同作用
3.6 本章小结
4 加工参数对石英玻璃纳观物化行为的影响
4.1 界面压力的影响
4.1.1 模拟参数设置
4.1.2 界面压力对材料去除率的影响
4.1.3 界面压力对材料去除形式的影响
4.2 抛光速度的影响
4.2.1 模拟参数的设置
4.2.2 抛光速度对材料去除率的影响
4.2.3 抛光速度对材料去除形式的影响
4.3 石英玻璃表面化学状态的影响
4.3.1 模型建立和模拟参数的设置
4.3.2 石英玻璃表面化学状态对材料去除率的影响
4.3.3 石英玻璃表面化学状态对界面Si-O-Si键的影响
4.3.4 石英玻璃表面化学状态对材料去除形式的影响
4.4 温度对石英玻璃超精密加工的影响
4.4.1 纳米压痕模型的建立和模拟参数的设置
4.4.2 温度对石英玻璃力学性能的影响
4.4.3 温度对石英玻璃塑性域范围的影响
4.4.4 温度对石英玻璃亚表面损伤变化的影响
4.5 本章小结
5 石英玻璃表面化学状态对加工性能影响的实验研究
5.1 研究目标和方法
5.2 实验准备和实验方案
5.2.1 纳米压痕、划痕测试原理和设备
5.2.2 石英玻璃试件的准备
5.2.3 实验方案
5.3 纳米压痕实验结果分析
5.4 纳米划痕实验结果分析
5.5 本章小结
结论
参考文献
攻读硕士学位期间发表学术论文情况
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于碱性硅溶胶磨料的石英玻璃的化学机械抛光（英文）[J]. 李洪波,王辰伟,李红亮,张文倩,刘玉岭. 微纳电子技术. 2018(02)
[2]改性抛光剂对光学玻璃抛光质量的影响[J]. 梁尚娟,汤文龙,焦翔,朱健强. 中国激光. 2017(12)
[3]超精度石英玻璃的化学机械抛光[J]. 王仲杰,王胜利,王辰伟,张文倩,郑环. 微纳电子技术. 2017(01)
[4]多晶金刚石固结磨料研磨垫精研石英玻璃的性能探索[J]. 朱永伟,沈琦,王子琨,凌顺志,李军,左敦稳. 红外与激光工程. 2016(10)
[5]软性粒子抛光石英玻璃的材料去除机理[J]. 刘德福,陈涛,陈广林,胡庆. 光学精密工程. 2016(07)
[6]光学石英玻璃CMP抛光液的研究[J]. 牛新环,王建超,赵欣,腰彩红. 微纳电子技术. 2016(08)
[7]石英玻璃的热辅助高效塑性域干磨削[J]. 王伟,姚鹏,王军,黄传真,朱洪涛. 光学精密工程. 2016(01)
[8]光学石英玻璃纳米级加工性能[J]. 郭晓光,翟昌恒,张亮,金洙吉,郭东明. 光学精密工程. 2014(11)
[9]石英玻璃表面改性后的力学特性分析[J]. 仇中军,伊萍,卢翠,房丰洲. 材料科学与工程学报. 2013(01)
[10]CeO2@SiO2纳米复合磨料的制备及其对光学石英玻璃的抛光性能[J]. 陈杨,隆仁伟,陈志刚. 材料导报. 2010(18)
博士论文
[1]纳米晶体材料超精密加工亚表面损伤机理研究[D]. 李甲.湖南大学 2017
[2]ReaxFF反应力场的开发及其在材料科学中的若干应用[D]. 刘连池.上海交通大学 2012
[3]单晶硅纳米级磨削过程的分子动力学仿真研究[D]. 郭晓光.大连理工大学 2008
[4]IC制造中硅片化学机械抛光材料去除机理研究[D]. 苏建修.大连理工大学 2006
硕士论文
[1]镍基合金中五重孪晶形成及变形机理的分子动力学研究[D]. 祝占伟.大连理工大学 2018
[2]钛合金及镍基合金化学机械抛光研究[D]. 史智丰.大连理工大学 2017
[3]基于MD方法的石英玻璃纳米级加工机理研究[D]. 刘涛.大连理工大学 2017
[4]单晶硅磨削过程中损伤演化的MD仿真研究[D]. 李强.大连理工大学 2017
[5]熔石英纳米压痕分子动力学仿真及实验研究[D]. 王昆.哈尔滨工业大学 2012
[6]碱性抛光液对铜平坦化的影响研究[D]. 刘苹.清华大学 2009
[7]氧化铈浆料中无机电解质的加入对ZF7玻璃抛光材料去除速率的显著促进作用[D]. 危亮华.南昌大学 2008
本文编号：3371746
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