【摘 要】
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单晶硅在常规车削过程中难以实现高质量表面加工,具有高脆性和低韧性的特点。传统加工方式效率低,容易产生表面及亚表面裂纹。激光加热辅助车削技术通过高温改变单晶硅力学性能和塑性变形能力,可以有效降低材料加工过程中表面/亚表面损伤,抑制微裂纹的扩展,成为加工单晶硅高质量表面的有效方式。本文以激光加热辅助金刚石车削单晶硅的材料加工性能为研究对象,重点围绕温度对单晶硅力学性能与塑性变形机理的影响开展相关工作。
【基金项目】
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国家自然科学基金面上项目:单晶硅微结构激光原位辅助金刚石车削低损伤加工机理与工艺研究（项目编号 51875491）
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单晶硅在常规车削过程中难以实现高质量表面加工,具有高脆性和低韧性的特点。传统加工方式效率低,容易产生表面及亚表面裂纹。激光加热辅助车削技术通过高温改变单晶硅力学性能和塑性变形能力,可以有效降低材料加工过程中表面/亚表面损伤,抑制微裂纹的扩展,成为加工单晶硅高质量表面的有效方式。本文以激光加热辅助金刚石车削单晶硅的材料加工性能为研究对象,重点围绕温度对单晶硅力学性能与塑性变形机理的影响开展相关工作。首先,通过离散元方法模拟高温状态单晶硅受到不同载荷时裂纹扩展过程;然后,开展高温压痕实验、划刻实验,探究加热温度对材料表面/亚表面微裂纹的抑制效果;最后,结合材料塑性变形规律开展激光辅助车削实验,实现单晶硅表面的高质量加工。主要研究内容为:（1）单晶硅离散元建模及压划/车削仿真:利用PFC3D软件建立单晶硅初始粘结模型,通过调整模型间连接键微观参数,将高温模型力学性能参数校准至与实际力学性能一致。校准完成后采用纳米压头进行单晶硅压痕、划刻实验,根据裂纹变化规律研究温度对单晶硅损伤的抑制作用;通过车削仿真实验,研究不同加工参数和温度变化对裂纹扩展的影响规律。（2）单晶硅高温力学性能与塑性变形机理:开展单晶硅高温压痕、划刻实验,在200℃-600℃范围内研究温度对单晶硅硬度、弹性模量的影响,在200℃-400℃范围内研究单晶硅表面和亚表面微裂纹扩展规律和晶体结构变化;通过高温划刻实验研究温度升高过程单晶硅表面塑性变形区和脆性断裂区变化趋势,分析亚表面晶体结构变化对材料塑性变形的影响,探索单晶硅高温塑性变形机理。（3）激光辅助车削单晶硅实验:根据高温压痕、划刻实验中塑性变化规律,开展不同激光加热温度和加工参数条件下的激光加热辅助超精密车削单晶硅实验。分析车削后单晶硅表面粗糙度、切屑形态和相变,得到单晶硅加工性能变化规律,优选激光加热温度和车削加工参数。
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