纳米加工技术专题.pptVIP

上次课主要内容 1.超精密表面质量检测包含哪些内容 2.表面粗糙度的主要测量方法与测量仪器 3.表面粗糙度的三个高度参数 4.超精密加工工艺研究中的表面粗糙度检测 5.纳米尺度标准样板 6.SPM在超精密测试中的应用 7.SPM在其他领域的应用 8.纳米硬度测量的基本方法和仪器 从超精密加工到纳米加工 2. 纳米加工机理：从有限元到分子动力学 3. SPM纳米加工系统 4. SPM纳米加工工艺 5. SPM加工工具：金刚石微探针技术 6. 纳米加工实验 7. SPM的原子级加工（与测量）方法 综述：从超精密加工（宏观）到纳米加工（微观） ？ 精度的提高越来越难 超精密车削的超薄切屑 日本大阪大学的井川教授和美国劳伦斯实验室的Donaldson等从1986年开始合作进行的“超精密切削加工的极限”的实验研究。切削实验的机床是劳伦斯实验室的超精密车床PERLII，使用的刀具是特制的金刚石车刀。图7-2是在切削厚度为1nm时切削电镀铜得到的切屑的SEM照片 理论： 有限元方法（FEM）模拟 从本世纪70年代，人们就开始用有限元方法模拟切削等加工过程。为了研究超精密加工机理，人们对传统的有限元模型进行了修改，提出了刚—塑性FEM等新的模拟方法，其中有代表性的是日本Kobe大学的Toshimichi Moriwaki等人对铜的直角微切削过程进行的模拟。他提出了考虑切削刃钝圆半径的有限元模型来分析铜的超精密切削机理，并计算了切削热，研究了工件、刀具的温度分布。结果表明，加工的影响区随着rn/ap（刀具切削刃钝圆半径和背吃刀量的比值）的增加而扩大，切削阻力也与rn/ap成正比。 理论： 传统超精密加工理论： 从工艺角度出发 金属切削机理：工艺学 有限元模拟仿真： 模拟各种切削过程 加工区域有限元、刀具有限元、热分析、剪切应力 存在的理论问题： 在超精密加工中，特别是达到纳米加工时，加工发生在很小的区域，该区域只包含数个原子层或数百个原子层。加工过程在本质上是原子的离散现象，工件材料应看作是原子或分子的集合体，对加工过程采用建立在传统连续介质力学基础上的切削理论来解释显然是不合适的。 FEM模拟对研究宏观切削现象是行之有效的，但由于它是建立在接触力学和经典的弹塑性力学基础上的模拟方法，所以不适合用来研究纳米加工过程中的若干机理问题。 其他因素： 另一方面，超精密加工和纳米加工都是十分复杂的材料去除过程，超精密加工机床必须有高的稳定性，其运动部件要求有很高的定位精度；加工刀具必须有稳定加工的能力；工件材料要有好的可加工性；并且还要选择合适的加工条件，所以微纳米加工表面的形成受到了来自超精密机床、刀具、工件材料性质和加工条件等各方面线性和非线性因素的影响。 除加工机理、加工模型以外： 机床： 刀具： 加工工艺： 因此：要从以上几个方面重新建立纳米加工理论 分子动力学模拟研究 由于分子动力学模拟可以直观地模拟超精密加工过程，所以，目前世界上很多国家都开展了分子动力学模拟对超精密加工机理的研究工作。其中，美国和日本在这方面的工作处于世界领先水平。 美国的劳伦斯实验室是用分子动力学模拟研究超精密加工机理的先驱。起初，劳伦斯实验室将分子动力学模拟技术用于微磨损、微观压痕与微硬度的研究，后来他们开始研究超精密加工表面的形成机理，1989年，Hoover和Stowers等人发表了用分子动力学模拟研究单晶Cu加工表面的微摩擦问题的论文，揭开了分子动力学模拟超精密加工过程研究的序幕。 进入90年代后，劳伦斯实验室的Belak 和Stowers在分析了金刚石刀具压痕实验和切削实验的表面微观形貌后，对金刚石—铜（硅）界面进行了压痕和切削过程的分子动力学模拟，用EAM方法（嵌入原子法）计算铜原子的内聚力，用结合序列模型计算金刚石刀具中的碳原子与硅表面的共价作用，并提出了新的边界条件（如图1-3所示）。 美国Oklahoma?州立大学的R. Komanduri教授指导的学生在此基础上进行了单晶硅切削过程的分子动力学模拟，分子间作用力的计算采用的是 Morse势函数的计算方法。他的模拟是在主频为333MHz的?工作站上进行的，研究的重点是刀具几何形状对纳米加工的作用。通过研究，发现大切削刃钝圆半径（相对于背吃刀量来说）和负前角在硅等脆性材料的纳米加工过程中对塑性变形区的产生有益，有助于硅以塑性方式去除。他们对第二代分子动力学模型进行了算法上的改进，提出了有限长度分子动力学模拟(LRMDS)方法，在一定程度上提高了模拟计算速度。并在1999年的CIRP上发表了单晶铝加