低弹性模量试样的研抛创成机理及关键技术

According to the request of sample preparation of low elastic modulus materials during nanoindentation test, new lapping and polishing methods including structured sandwich mechanical lapping, irrational rotation ratio driving and linear hydrodynamic polishing. Low elastic modulus materials such as polycarbonate, tooth and glass are used for abrasive machining, numerical simulate the loading condition of structured sandwich mechanical lapping process, analysis the distribution of workpiece rotation vector for irrational rotation ratio driving method, explore the influence of lapping efficiency, surface roughness and surface damaged layer. Pressure and temperature distribution of linear hydrodynamic polishing process will be declared by using Boltzmann and filed synergy principle, then surface structure and feed rate of cylindrical roller will be optimized..Surface integrities such as surface roughness , hardnes of sub-surface layer and residual stress ect will be measured by nanoindentation, SEM,TEM,XRD etc., Mechanism and technology of structured sandwich mechanical lapping, irrational rotation ratio driving and linear hydrodynamic polishing will be promoted and prototype machines with self-owned intellectual property rights will be designed and developed.

面向仪器化纳米压痕测试中低弹性模量试样的制备要求，首次提出结构化“三明治式”机械研磨加工、无理转速比驱动方式、线性液动压抛光方法的研磨抛光加工方法。以低弹性模量试样聚碳酸酯（3GPa）、牙齿（20GPa）、玻璃（55GPa）试样为对象，数值模拟结构化“三明治式”机械研磨加工受力条件，分析无理转速比对工件转速矢量的分布形态，探索研磨加工效率、表面粗糙度和表面损伤的影响规律，采用格子Boltzmann方法和场协同理论综合研究线性液动压抛光加工过程液动压流场的压力场、温度场，优化圆柱辊子表面结构及其进给速率。.综合利用纳米压痕、扫描电镜、透射电镜、X射线衍射等测试试样表面粗糙度、亚表层硬度、残余应力等，建立结构化“三明治式”机械研磨加工、无理转速比驱动方式、线性液动压抛光方法的研磨抛光加工理论及其技术体系，研制原型研磨加工机床及工装夹具、线性驱动的动压抛光机床，提供拥有自主知识产权的装备及技术。

纳米压入的校准用标准物质及其测试试样都要求待测表面为超光滑少无损伤表面，高质量的试样制备是进行纳米力学表征测试的前提和基础。.针对如何高效稳定地获取低损伤研磨表面，提出了无理转速比驱动方式和三明治式机械研磨的新型研磨加工方法，研制了无理转速比驱动机构和新型研磨微调夹具并进行了对比实验。无理转速比下的研磨盘磨损情况和研磨加工轨迹均匀性优于有理转速比，且材料去除更为均匀，转速比对轨迹曲率变化也有很大影响。分析了三明治式机械研磨加工方法中游离磨粒的直接接触到准接触及非接触状态的演变规律。结果表明，工件试样表面的等效应力值与替代物的弹性模量值成正比，与替代物的泊松比和替代物与工件试样的面积比成反比。在无理转速比驱动方式下，低弹性模量试样的表面粗糙度、材料去除速率、平整度、弯曲度、翘曲度和总厚度偏差得到了提升。.针对如何高效稳定地获取超光滑抛光表面，提出了线性液动压抛光加工新方法，数值模拟了线性液动压抛光加工的液体流场特性包括流场速度和液动压力分布形态，探索了圆柱辊子的结构参数和抛光工艺参数对液动压效应的作用规律，研究了单颗和多颗磨粒与工件表面微粗糙峰的碰撞过程，分析了工件表面在磨粒的撞击作用下材料表面及其亚表层的应力松弛规律，对已加工表面形貌、粗糙度进行了测试分析，采用纳米压入测试获得了工件试样的硬度及其弹性模量的变化规律。线性液动压抛光加工方法可以在工件表面产生更均匀的液动压力，抛光中应选用粘度大的抛光液进行加工，在条件允许范围内应保证加工间隙足够小，转速足够高，提高材料去除率。抛光辊子的种类对抛光流场中固相磨粒的撞击速度和角度影响很小，随着抛光转速的提高会增加固相磨粒的撞击速度，但对撞击角度影响很小；随着抛光间隙的降低会增加固相磨粒的撞击速度，且会降低撞击角度。与传统机械抛光加工、液动压悬浮抛光加工的试样进行对比，结果表明线性液动压抛光加工方法可获得的表面粗糙度更小，试样的纳米压入测试数据偏差小可靠性高。理论和试验证明了线性液动压抛光加工方法的可行性及超光滑表面加工能力。