金刚石磨粒磨损对单晶碳化硅材料去除过程的影响研究
发布时间：2022-01-16 16:16
单晶碳化硅凭借其优异的物理和机械性能,在电子应用和航天、军工等极端领域中有着广泛的应用。磨削加工是单晶碳化硅精密加工的主要加工方式,而单颗磨粒加工过程的研究是深入探究磨削加工过程的前提条件。在磨削过程中,由于磨粒与工件的相互作用,磨粒被磨损乃至破碎,工件材料被去除,磨粒的形状发生较大的变化。在过去的研究中,磨粒的形状是影响材料去除过程的重要因素之一。为此,本文以金刚石磨粒和单晶碳化硅（SiC）为研究对象,通过单颗磨粒划擦实验的方法,分别采用单颗金刚石磨粒的<111>和<110>晶面划擦单晶SiC的碳（C）面和硅（Si）面,分析了金刚石磨粒<111>和<110>晶面的破损过程及典型破损形态,并对金刚石磨粒不同晶面的破损形态进行表征和检测,进一步剖析了金刚石磨粒的破损对单晶SiC材料去除机理的影响。最终,通过基于光滑粒子流体动力学（SPH）仿真的方法推演了关键破损量与划痕形貌的关键参数及划擦力的关系。本文的主要工作总结如下:（1）通过单颗磨粒划擦实验,对比分析金刚石磨粒的破损规律,并对金刚石磨粒特征参数进行表征,分析了金刚石磨粒<111...
【文章来源】：华侨大学福建省
【文章页数】：98 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
四种单颗磨粒加工方式[5]
第1章绪论9磨粒的破损也必将使得工件材料的材料去除过程发生变化，材料去除过程的变化也必将对磨粒的进一步破损产生影响。因此，对金刚石磨粒破损与工件材料去除过程中彼此相互影响的研究对深入剖析单晶碳化硅磨削过程和金刚石磨粒的破损过程有较大的理论价值，对实现单晶碳化硅材料和金刚石磨粒低损磨削有一定的指导作用。1.2单晶碳化硅和金刚石的性能特点1.2.1单晶碳化硅的晶体结构SiC可以结晶成多种晶体结构，每种结构都具有其独特的电学、光学、热学和力学性质。常见的碳化硅多型体结构有3C-SiC、4H-SiC和6H-SiC(C表示立方晶系；H表示六方晶系；R表示斜方六面体晶系)，其中3C-SiC通常被称为SiC,其他多型体则被称为αSiC。图1.2为3C-SiC、4H-SiC和6H-SiC的结构示意图，蓝色球和黑色球分别代表Si原子和C原子。SiC多型体的稳定性和形成晶核的概率强烈依赖于温度[11]，例如，3C-SiC并不稳定，在高于1900~2000℃的很高温度下会转变为六方SiC多型体[12]，如6H-SiC。3C-SiC的这种不稳定性使它很难以一个合理的速率生长大的3C-SiC晶锭。所以4H-SiC和6H-SiC多型体是最常见的，并且到目前为止被广泛研究[13-14]。（a）（b）（c）图1.2单晶碳化硅晶格结构（a）3C-SiC（b）4H-SiC（c）6H-SiC
华侨大学硕士学位论文101.2.2单晶碳化硅的硬度和机械性能SiC的机械性能也是独一无二的，它是已知的最坚硬的材料之一。表1.1列出了SiC的主要机械性能[15],这些特性和多型体的关系不大。即使是在很高的温度下，SiC仍保持它的高的硬度和弹性。室温下，SiC的屈服（断裂）强度可以达到21GPa,在1000℃时其值估算为0.3GPa。表1.1SiC在室温下主要的机械性能和热性能[10]性质4H-SiC或6H-SiC密度/gcm-33.21杨氏模量/GPa390~690断裂强度/GPa21泊松比0.21C11501C12111C1352C33553C44163比热/Jg-1K-10.69热导率/Wcm-1K-13.3~4.91.2.3金刚石晶体结构简介金刚石结构的原型是金刚石晶体，属于立方晶系，如图1.3所示。在金刚石晶体中，每个碳原子都以SP3杂化轨道与另外4个碳原子形成共价键，构成正四面体。金刚石主要化学成分是碳，在常温下，金刚石晶格常数为0.3566nm，碳原子层最小间距为0.1545nm[16]，金刚石晶体的密度为3.52g/cm3。图1.3金刚石晶体晶胞
【参考文献】：
期刊论文
[1]不同圆角半径金刚石划擦单晶SiC过程中的材料去除机理研究[J]. 段念,黄身桂,于怡青,黄辉,徐西鹏. 机械工程学报. 2017(15)
[2]基于光滑粒子流体动力学法单颗磨粒超声辅助磨削陶瓷材料的磨削力仿真研究[J]. 米召阳,梁志强,王西彬,周天丰,赵文祥,田梦. 兵工学报. 2015(06)
[3]基于FEM与SPH耦合算法的单颗磨粒切削玻璃的动态过程仿真[J]. 段念,王文珊,于怡青,黄辉,徐西鹏. 中国机械工程. 2013(20)
[4]单颗粒金刚石划擦Si3N4陶瓷的磨削力研究[J]. 王健全,田欣利,张保国,王朋晓. 现代制造工程. 2013(08)
[5]基于FEM-SPH耦合方法的AISI4340钢超精密切削过程仿真[J]. 郭晓光,魏延军,张小冀,金洙吉,郭东明. 大连理工大学学报. 2013(04)
[6]钎焊金刚石砂轮高速磨削氧化铝陶瓷的磨损特征[J]. 陈建毅,徐西鹏. 组合机床与自动化加工技术. 2011(12)
[7]钎焊金刚石磨削石材过程中磨粒磨损状态研究[J]. 詹友基,黄辉,徐西鹏. 金刚石与磨料磨具工程. 2007(05)
[8]磨削花岗石过程中钎焊金刚石磨损特征分析[J]. 黄辉,詹友基,徐西鹏. 摩擦学学报. 2007(03)
[9]锯切花岗石中金刚石节块形貌变化过程跟踪[J]. 方从富,马云善,徐西鹏. 金刚石与磨料磨具工程. 2006(05)
[10]金刚石工具磨损形式的观察与分析[J]. 杨伟光,李晨,吴振芳,张人佶,游锴,毛小兵. 粉末冶金技术. 1995(01)
博士论文
[1]金刚石磨粒划擦过程中的机械磨损特性研究[D]. 吴海勇.华侨大学 2016
[2]基于单颗磨粒切削的氮化硅陶瓷精密磨削仿真与实验研究[D]. 刘伟.湖南大学 2014
[3]花岗石超大切深锯切机理与技术研究[D]. 李远.华侨大学 2004
硕士论文
[1]单晶碳化硅超声—电化学机械抛光仿真与实验研究[D]. 翟权.哈尔滨工业大学 2018
[2]基于单颗磨粒的工程陶瓷磨削仿真与试验研究[D]. 胡浩.南京航空航天大学 2017
本文编号：3593015
【文章来源】：华侨大学福建省
【文章页数】：98 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
四种单颗磨粒加工方式[5]
第1章绪论9磨粒的破损也必将使得工件材料的材料去除过程发生变化，材料去除过程的变化也必将对磨粒的进一步破损产生影响。因此，对金刚石磨粒破损与工件材料去除过程中彼此相互影响的研究对深入剖析单晶碳化硅磨削过程和金刚石磨粒的破损过程有较大的理论价值，对实现单晶碳化硅材料和金刚石磨粒低损磨削有一定的指导作用。1.2单晶碳化硅和金刚石的性能特点1.2.1单晶碳化硅的晶体结构SiC可以结晶成多种晶体结构，每种结构都具有其独特的电学、光学、热学和力学性质。常见的碳化硅多型体结构有3C-SiC、4H-SiC和6H-SiC(C表示立方晶系；H表示六方晶系；R表示斜方六面体晶系)，其中3C-SiC通常被称为SiC,其他多型体则被称为αSiC。图1.2为3C-SiC、4H-SiC和6H-SiC的结构示意图，蓝色球和黑色球分别代表Si原子和C原子。SiC多型体的稳定性和形成晶核的概率强烈依赖于温度[11]，例如，3C-SiC并不稳定，在高于1900~2000℃的很高温度下会转变为六方SiC多型体[12]，如6H-SiC。3C-SiC的这种不稳定性使它很难以一个合理的速率生长大的3C-SiC晶锭。所以4H-SiC和6H-SiC多型体是最常见的，并且到目前为止被广泛研究[13-14]。（a）（b）（c）图1.2单晶碳化硅晶格结构（a）3C-SiC（b）4H-SiC（c）6H-SiC
华侨大学硕士学位论文101.2.2单晶碳化硅的硬度和机械性能SiC的机械性能也是独一无二的，它是已知的最坚硬的材料之一。表1.1列出了SiC的主要机械性能[15],这些特性和多型体的关系不大。即使是在很高的温度下，SiC仍保持它的高的硬度和弹性。室温下，SiC的屈服（断裂）强度可以达到21GPa,在1000℃时其值估算为0.3GPa。表1.1SiC在室温下主要的机械性能和热性能[10]性质4H-SiC或6H-SiC密度/gcm-33.21杨氏模量/GPa390~690断裂强度/GPa21泊松比0.21C11501C12111C1352C33553C44163比热/Jg-1K-10.69热导率/Wcm-1K-13.3~4.91.2.3金刚石晶体结构简介金刚石结构的原型是金刚石晶体，属于立方晶系，如图1.3所示。在金刚石晶体中，每个碳原子都以SP3杂化轨道与另外4个碳原子形成共价键，构成正四面体。金刚石主要化学成分是碳，在常温下，金刚石晶格常数为0.3566nm，碳原子层最小间距为0.1545nm[16]，金刚石晶体的密度为3.52g/cm3。图1.3金刚石晶体晶胞
【参考文献】：
期刊论文
[1]不同圆角半径金刚石划擦单晶SiC过程中的材料去除机理研究[J]. 段念,黄身桂,于怡青,黄辉,徐西鹏. 机械工程学报. 2017(15)
[2]基于光滑粒子流体动力学法单颗磨粒超声辅助磨削陶瓷材料的磨削力仿真研究[J]. 米召阳,梁志强,王西彬,周天丰,赵文祥,田梦. 兵工学报. 2015(06)
[3]基于FEM与SPH耦合算法的单颗磨粒切削玻璃的动态过程仿真[J]. 段念,王文珊,于怡青,黄辉,徐西鹏. 中国机械工程. 2013(20)
[4]单颗粒金刚石划擦Si3N4陶瓷的磨削力研究[J]. 王健全,田欣利,张保国,王朋晓. 现代制造工程. 2013(08)
[5]基于FEM-SPH耦合方法的AISI4340钢超精密切削过程仿真[J]. 郭晓光,魏延军,张小冀,金洙吉,郭东明. 大连理工大学学报. 2013(04)
[6]钎焊金刚石砂轮高速磨削氧化铝陶瓷的磨损特征[J]. 陈建毅,徐西鹏. 组合机床与自动化加工技术. 2011(12)
[7]钎焊金刚石磨削石材过程中磨粒磨损状态研究[J]. 詹友基,黄辉,徐西鹏. 金刚石与磨料磨具工程. 2007(05)
[8]磨削花岗石过程中钎焊金刚石磨损特征分析[J]. 黄辉,詹友基,徐西鹏. 摩擦学学报. 2007(03)
[9]锯切花岗石中金刚石节块形貌变化过程跟踪[J]. 方从富,马云善,徐西鹏. 金刚石与磨料磨具工程. 2006(05)
[10]金刚石工具磨损形式的观察与分析[J]. 杨伟光,李晨,吴振芳,张人佶,游锴,毛小兵. 粉末冶金技术. 1995(01)
博士论文
[1]金刚石磨粒划擦过程中的机械磨损特性研究[D]. 吴海勇.华侨大学 2016
[2]基于单颗磨粒切削的氮化硅陶瓷精密磨削仿真与实验研究[D]. 刘伟.湖南大学 2014
[3]花岗石超大切深锯切机理与技术研究[D]. 李远.华侨大学 2004
硕士论文
[1]单晶碳化硅超声—电化学机械抛光仿真与实验研究[D]. 翟权.哈尔滨工业大学 2018
[2]基于单颗磨粒的工程陶瓷磨削仿真与试验研究[D]. 胡浩.南京航空航天大学 2017
本文编号：3593015
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