基于聚焦离子束技术超硬纳米孪晶材料微刀具的制造

发布时间：2017-10-27 01:14

  本文关键词：基于聚焦离子束技术超硬纳米孪晶材料微刀具的制造

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【摘要】：超硬纳米孪晶材料,即纳米孪晶立方氮化硼(nt-c BN)和纳米孪晶金刚石(nt-diamond),具有前所未有的机械性能及力学性能,其硬度为相应普通材料的2-3倍,断裂韧性好,且抗氧化温度比商品化金立方氮化硼和金刚石材料有所提高。基于以上优异性能,超硬纳米孪晶材料切削刀具的研制,对于机械加工领域意义重大。本文旨在探索基于聚焦离子束(FIB)技术,对nt-c BN和nt-diamond刀具的研制进行了理论研究和实践研究,并对其切削性能进行了初步探索。基于FIB技术,通过使用SRIM离子束加工仿真软件,对nt-c BN和nt-diamond两种材料的离子去除机理进行了深入研究。其中包括离子束加工时,各粒子间的碰撞过程和能量交换,并深入研究了不同离子个数、离子入射能量和离子入射角度下,离子溅射产额的变化趋势。另外,对离子轰击纳米孪晶材料的表面损伤进行了理论分析。研究表明,在一定剂量下,离子轰击表面损伤层面积及深度低于刀具整体尺寸的0.1%,影响可忽略。针对nt-c BN材料,对纳米孪晶材料刀具胚材nt-c BN的粗加工方法进行了探索,其中包括机械研磨法、飞秒激光烧蚀法和离子束溅射法。分析了三种方法对nt-c BN材料的加工质量、加工效率和相变问题。研究发现使用飞秒激光烧蚀加工法,加工质量符合粗加工要求的技术指标,且加工形状不受限制,可直接对材料进行切割。针对nt-c BN材料,对飞秒激光加工材料烧蚀阈值和微孔、微槽的加工工艺实验,探索了nt-c BN材料飞秒激光材料去除机理及加工工艺参数。利用飞秒激光进行了对nt-c BN和nt-diamond材料微刀具胚材的研制。制备出了适用于进行FIB微刀具加工的纳米孪晶材料微刀具胚材。基于FIB加工原理,对FIB微刀具加工工艺进行了设计,分析了离子光束干涉问题及解决方案,确定了微刀具各个刀面的加工顺序。应用FIB技术最终制备出了高质量的nt-c BN、nt-diamond圆弧刃微刀具和nt-diamond直线刃矩形槽微刀具,刀具几何尺寸符合加工标准,刀具刃口极其锋利。利用nt-diamond直线刃刀具对PMMA和Cu材料进行了微槽结构的加工,对Zn S材料进行了平面切削。在PMMA和Cu材料上分别加工出了具有高完整性、高质量的矩形微槽和矩形凸台阵列和环形槽;对比了新型刀具与传统单晶金刚石刀具切削Zn S材料平面的加工表面粗糙度,发现使用nt-diamond刀具的切削表面质量高于单晶金刚石刀具。
【关键词】：纳米孪晶 金刚石 立方氮化硼 微刀具 FIB 飞秒激光
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG711;TB383.1
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-10
• 第1章 绪论10-18
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义10-11
• 1.2 超硬刀具材料的国内外研究现状11-15
• 1.2.1 立方氮化硼刀具材料研究现状11-13
• 1.2.2 金刚石刀具材料研究现状13-15
• 1.3 聚焦离子束技术微刀具制备的研究进展15-17
• 1.4 论文的主要研究内容17-18
• 第2章 聚焦离子束加工技术基础及加工仿真18-34
• 2.1 聚焦离子束系统组成18-19
• 2.2 离子束加工原理19-20
• 2.3 离子束溅射机理20-23
• 2.3.1 离子束轮廓20-21
• 2.3.2 离子碰撞过程中的能量交换21-22
• 2.3.3 离子溅射产额22-23
• 2.4 针对立方氮化硼和金刚石材料的离子束溅射仿真23-32
• 2.4.1 基本仿真原理及SRIM软件23-24
• 2.4.2 不同入射离子数下c BN和金刚石靶材的溅射产额24-25
• 2.4.3 不同离子入射能量下c BN和金刚石靶材的溅射产额25-26
• 2.4.4 不同离子入射角度下c BN和金刚石靶材的溅射产额26-28
• 2.4.5 离子轰击后靶材表层损伤的研究28-32
• 2.5 本章小结32-34
• 第3章 刀具胚材材料去除工艺探索34-50
• 3.1 机械研磨表层材料去除方法探索34-38
• 3.1.1 机械研磨实验设备及加工工艺34-35
• 3.1.2 机械研磨实验结果及分析35-37
• 3.1.3 机械研磨表面质量及相变的研究37-38
• 3.2 离子束溅射表层材料去除方法探索38-43
• 3.2.1 实验设备及样品制备39-40
• 3.2.2 离子束溅射抛光结果及分析40-42
• 3.2.3 离子束溅射抛光后的表面质量及相变问题42-43
• 3.3 激光烧蚀表层材料去除方法探索43-47
• 3.3.1 激光光源选择和实验设备43-44
• 3.3.2 激光烧蚀实验结果及分析44-46
• 3.3.3 激光加工后表面质量及相变问题46-47
• 3.4 三种表层材料去除方法的实验结果对比47-48
• 3.5 本章小结48-50
• 第4章 基于飞秒激光的纳米孪晶材料微刀具粗加工技术50-62
• 4.1 针对nt-c BN材料飞秒激光烧蚀阈值的研究50-54
• 4.1.1 烧蚀阈值的计算方法50-51
• 4.1.2 烧蚀阈值的计算51-54
• 4.2 飞秒激光直线微槽加工54-57
• 4.3 刀具胚材制备的激光实验设计57-61
• 4.4 本章小结61-62
• 第5章 基于FIB的纳米孪晶材料微刀具加工技术62-78
• 5.1 FIB加工平台62-63
• 5.2 微刀具精加工方案设计63-67
• 5.3 nt-c BN和nt-diamond刀具的成形67-69
• 5.4 刀具刃口锋利度检测69-70
• 5.5 nt-diamond直线刃刀具微结构加工70-77
• 5.5.1 被切削材料及实验设备70-71
• 5.5.2 PMMA矩形槽微结构切削加工71-73
• 5.5.3 Cu矩形槽和环形槽微结构的加工73-75
• 5.5.4 Zn S材料平面切削加工75-77
• 5.6 本章小结77-78
• 结论78-80
• 参考文献80-84
• 攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果84-85
• 致谢85-86
• 作者简介86

【参考文献】

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1 ;Monte Carlo simulation for the sputtering yield of Si_3N_4 thin film milled by focused ion beams[J];Optoelectronics Letters;2008年04期

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本文编号：1101279