声悬浮抛光机理及技术的研究

纳米力学表征是纳米材料、器件、结构可靠性设计的物质基础，提高试样制备质量、改进制备方法对于提高纳米力学性能测试的准确性和可靠性，推动纳米科学技术发展，具有重要的科学意义和应用前景。.本项目面向纳米力学表征试样制备的要求，首次提出声悬浮抛光新方法。以不同弹性模量的金属和陶瓷试样为研究对象，探索声悬浮结构参数、振动频率、工件形状和位置等对声压场分布的影响规律以及金刚石、SiO2等抛光粒子的运动特性，采用分子动力学研究软性磨粒流冲击作用对试样表面的材料去除机理，数值模拟软性磨粒流撞击表面的应力松弛效应，试验研究不同工艺条件下材料的去除速率，综合利用纳米压痕/划痕、TEM、XRD、AFM、EBSD等分析测试表层亚表层的形貌、残余应力、损伤特性等，优化工艺参数，建立声悬浮抛光加工理论与技术体系，为纳米科学技术的基础研究提供拥有自主知识产权的装备及技术。

设计制作了声悬浮抛光实验平台，包括超声波发生系统、悬浮抛光容器以及机架结构部分，通过ANSYS模态分析验证所选换能器以及变幅杆的可行性。根据研制的声悬浮抛光装置，对抛光容器内的声压场和磨粒流场进行了研究，通过Matlab进行数值仿真，并通过染色法、水听器法与仿真结果作比较。对比了自由面反射端、刚性壁反射端、声悬浮反射端对抛光装置内声压场影响，优化了声悬浮抛光装置结构尺寸。.通过PIV观测抛光槽内磨粒运动规律，磨粒运动方向与声压等势线大致相同，磨粒运动速度与声功率成正比。对磨料粒子冲蚀工件表面的能量进行研究，建立了磨料冲蚀工件表面的理论模型。揭示了声悬浮抛光加工过程的材料去除机理，分析了超声场的超声辐射力和超声空化对磨粒的作用，剖析了磨粒的动能如何克服工件之间的结合力并实现材料去除加工。.运用ABAQUS数值模拟了单颗磨粒冲击试样表面过程，阐述了声悬浮抛光对试样表面残余应力松弛效应，进一步分析了不同冲击速度和不同冲击角度下的全覆盖磨粒对工件表面的冲击作用，揭示了冲击载荷对残余应力松弛过程的作用规律，并利用随机冲击的方式对残余应力松弛过程进行了数值模拟。.利用机械化学抛光进行试样的光滑表面加工，最后采用声悬浮抛光进行超光滑、少无损伤试样表面的制备，利用纳米压入仪测试分析了不同加工工艺下试样表面弹性模量和硬度的变化规律。对比声悬浮抛光与机械化学抛光试样，验证了声悬浮抛光制作试样的有效性，优化了声悬浮抛光加工工艺。实验验证了声悬浮抛光方法可以满足纳米压痕测试试样表面的制备技术要求，验证了声悬浮抛光方法具有原子级超光滑表面、少无损伤表面的加工能力。