面约束流场中空化冲击磨粒的动力学规律及其壁面效应可控性研究

It is an urgent technical difficulty needed to resolve in precision manufacturing to realize low cost and high efficiency processing for the surface of electronic information materials in ensuring that don't appear processing metamorphic layer and the subsurface defect. Therefore, a novel nondestructive high efficiency polishing method based on cavitation impact abrasive with surface constraint flow field is proposed. Based on solid mechanics, fluid mechanics and materials science theories, combined with the experiment and the simulation method, the dynamics of cavitation impact abrasive in the surface constraint flow field and the wall effect caused by cavitation impact and cavitation impact abrasive and its controllability as the breakthrough point, the generated mechanism of the effective cavitation impact abrasives and the mechanism of improving material removal efficiency are parsed, the constraint condition of cavitation impact abrasive behavior in surface constraint flow field is explored, the control technology for surface effect of cavitation impact abrasive is grasped for obtaining the surface effect with high efficiency and no surface damage. The prototype equipment and technological process of the polishing method will be designed. The adequate, uniform, stable and high efficiency nanoscale polishing for large plane monocrystalline silicon and optical glass components will be implemented based on cavitation impact abrasive with surface constraint flow field .

在确保不出现加工变质层和亚表面损伤的前提下实现电子信息材料表面高效精密加工是精密制造领域急需解决的技术难题，为此，提出一种基于空化冲击磨粒的面约束流场高效无损伤抛光新方法。项目综合应用固体力学、流体力学、材料科学等理论，结合实验和仿真方法，以面约束流场中空化冲击磨粒的动力学规律和空化冲击磨粒对加工表面产生的壁面效应及其可控性等科学问题和关键技术为突破口，解析面约束流场中形成有效空化冲击磨粒以及基于空化冲击提升磨粒的材料去除效率的机理；探索流场形态对空化冲击磨粒行为的约束条件，掌握空化冲击磨粒壁面效应可控技术，使之产生既有加工效果又无表面损伤的壁面效应；设计加工设备原理样机和加工工艺流程，实现面约束流场中空化冲击磨粒对加工表面力度适当、均匀且稳定的加工，对大面积平面单晶硅片和光学玻璃器件实现纳米级高效精密加工。

针对电子信息材料表面高效精密加工需求，提出一种基于空化冲击磨粒的面约束流场高效无损伤抛光新方法，其主要的研究内容及结果如下：. （1）面约束流场中空化冲击磨粒的动力学规律研究。针对面约束流场的形态特征，开展了近壁区气液固三相磨粒流运动状态研究，在建立流体运动的湍流模型基础上，基于计算流体力学和离散单元耦合方法，建立旋流状态下的三相磨粒流运动模型；分析了约束流场中气泡溃灭过程及其对磨粒的作用，初步掌握了空化冲击磨粒的动力学规律。. （2）空化冲击与空化冲击磨粒对被加工材料的壁面效应研究。采用压力耦合的半隐容算法求解离散单元耦合方程组，得到旋流场内的磨粒-壁面碰撞行为规律；研究了不同流态下的空化冲击壁面效应、流场关键尺度及流体粘性对磨粒-壁面碰撞分布及材料去除能力的影响；基于空化冲击力学效应，建立了三相磨粒流抛光的材料去除模型。. （3）空化冲击磨粒可控性研究。研究了流场内微尺度气泡可控增强效应及稳定控制方法，在微观方面，分别基于气泡注入法和自激法，研究了对空化气泡的初生、成长、溃灭过程的控制方法；在宏观方面，基于计算流体力学模拟仿真以及图像粒子测速平台，研究了约束流场气泡群溃灭区分布规律及其对加工表面均匀性的影响。. （4）主要结果及关键数据。在三相磨粒流空化冲击磨粒动力学规律及壁面效应的理论研究基础上，建立了实验观测平台和加工设备原理样机，提出了抛光工艺流程，实验验证了有效空化冲击在抛光中的实际作用。结果表明，近壁面湍流涡尺度及方向呈随机分布，空化气泡溃灭导致局部磨粒速度明显提升，最高可达20m/s，在同样的条件下加工单晶硅片28h，在无空化时，加工后的工件表面粗糙度为7.21nm，当有空化时，可达到2.84nm；加工铝合金2h，在有空化时，表面粗糙度由900nm左右下降至200nm左右，无空化时，则仅下降至300nm左右。采用三相磨粒流抛光，工件表面无裂纹、划痕等表面损伤，初步实现电子信息材料的超光滑表面加工。