基于单颗磨粒切削实验技术的硬脆材料纳米磨削机理研究

针对微电子、光电子和光学领域中衬底、光学晶体零件及反射镜制造对纳米级精度超光滑无损伤表面苛刻要求以及硬脆材料难加工的特点，采用申请者所提出的单颗磨粒切削实验技术对单晶硅、单晶锗、碳化硅、蓝宝石、熔石英、光学玻璃等典型硬脆材料进行纳米切削试验，应用力学、材料学、纳米摩擦学、表面物理学等理论，研究磨削过程中材料去除由微观尺度进入纳观尺度时的力学行为，分析裂纹扩展、脆性断裂、塑性流动、高压相变以及亚表面损伤形成过程，揭示纳米磨削过程材料尺度效应、表面/界面效应，确定脆性――延性转变的临界切削深度以及最小切屑厚度；阐明磨粒粒径、磨粒切削刃几何形状、磨粒磨损对硬脆材料纳米切削机理的影响规律；评价典型硬脆材料高效低损伤磨削加工性以及探索最佳加工条件，为改进纳米磨削工艺、发展新原理的纳米磨削技术提供理论依据。本项目研究成果对于丰富超精密加工理论，提高硬脆材料超精密加工技术水平具有重要意义和实用价值。

针对微电子、光电子和光学领域中衬底、光学晶体零件及反射镜制造对纳米级精度超光滑无损伤表面苛刻要求以及硬脆材料难加工的特点，采用申请者所提出的单颗磨粒切削实验方法对单晶硅、单晶锗、碳化硅、蓝宝石、熔石英、光学玻璃等典型硬脆材料进行纳米切试验，应用力学、材料学、纳米摩擦学、表面物理学等理论，研究了磨削过程中材料去除由微观尺度进入纳观尺度时的力学行为，分析裂纹扩展、脆性断裂、塑性流动以及亚表面损伤形成过程。. 提出了一种生成深度连续变化的纳米级划痕方法，其原理是利用工件表面在加工后自然存在的不平度或波度所形成的平缓的坡度来控制划痕深度、深度变化和划痕长度。本方法要求工件具有较小的平面度误差和表面粗糙度，对刀具相对于工件的切削运动的运动精度和刀具相对于工件进给运动的分辨率有严格的要求，以便使刀具在相对于工件做切削运动过程中刀具的刀尖介于由刀具的刀尖运动轨迹线投影到工件表面所确定的二维表面轮廓线的最高点与最低点之间。试验结果表明采用所提出的方法可以实现从微米量级、亚微米量级至纳米量级深度的、深度平缓变化的连续切削，划痕最浅部分的深度可达几个纳米，划痕的宽度可达20 纳米。. 发现除了中位裂纹(median cracks)、侧向裂纹(lateral crack、赫兹裂纹(hertz crack)、径向裂纹(radial crack)以外，采用钝磨粒磨削硬脆材料过程中会产生摩擦裂纹(rubbing crack)，单晶硅、单晶锗、光学玻璃、陶瓷等多种硬脆材料在磨削过程中都会产生摩擦裂纹，摩擦裂纹是最基本的裂纹形式之一；对摩擦裂纹形态进行了全面表征，发现摩擦裂纹形成于沟槽底面，开口向上，与切屑方向垂直，并向前下方扩展；发现摩擦裂纹扩展还会导致材料去除，形成切屑，摩擦裂纹扩展引起的切削与经典的材料去除不同，它产生于磨粒底端。摩擦裂纹的发现丰富了经典断裂力学和切削力学理论；. 提出了脆性——延性转变的判别依据，确定了脆性――延性转变的临界切削深度；阐明磨粒粒径、磨粒切削刃几何形状、磨粒磨损对硬脆材料纳米切削机理的影响规律；评价了单晶硅等硬脆材料高效低损伤磨削加工性以及探索最佳加工条件，为改进纳米磨削工艺、发展新原理的纳米磨削技术提供理论依据。本项目研究成果对于丰富超精密加工理论，提高硬脆材料超精密加工技术水平具有重要意义和实用价值。