【摘 要】
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陶瓷、半导体、光学玻璃等脆性材料由于具有良好的物理化学性质而广泛应用于各种高技术领域,被加工成高精度及高表面质量的产品,而此类材料在机械加工过程中易碎裂,导致加工
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陶瓷、半导体、光学玻璃等脆性材料由于具有良好的物理化学性质而广泛应用于各种高技术领域,被加工成高精度及高表面质量的产品,而此类材料在机械加工过程中易碎裂,导致加工表面损伤及刀具磨损。为了获得稳定的加工工艺与可控的表面质量,脆性材料的切削机理成为了超精密加工领域的研究热点。分子动力学方法广泛应用于纳米切削机理研究,但由于模型尺度远小于实际加工尺度,故一些加工中的重要现象(如脆塑转变、材料去除、刃口磨损等)尚未被充分理解,使得理论对实践的指导不够直接。在加工工艺方面,各种辅助手段被相继提出(如表面改性、超声振动切削等),其中离子注入辅助纳米切削技术通过高能离子束辐照待加工材料表面,从而达到表层软化效果。但目前该方法面临注入剂量大、时间长、成本高的问题,阻碍了其在生产中的应用。针对以上脆性材料加工机理与工艺方面的若干问题,本课题系统开展了以下研究工作:1.针对纳米切削的数值仿真,提出基于模型动态调整的分子动力学模拟方法,扩大了现有模型的空间尺度。在单晶硅大切深纳米切削仿真中,观察到微裂纹与亚表面损伤演化的微观过程,所获得的脆塑转变深度与实验较好符合;2.针对离子注入辅助加工提出预埋层注入新工艺,在提高加工效果的同时降低注入剂量与成本。通过分子动力学仿真揭示了非晶层对裂纹扩展的阻碍机制,并通过材料晶体结构表征与车削实验验证了方法的有效性;3.设计并搭建了微切削实验平台,并针对材料表征测试实验进行硬件选型及加工方案的分析,实现了材料切削性能的便捷测试与简单的微结构阵列加工。
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