液体喷射抛光微观材料去除机理的研究

非球面器件的超光滑表面加工是目前光学加工所面临的巨大难题，液体喷射抛光(FJP)被认为是当前非球面新型超精密光滑加工最有潜力技术之一。目前FJP正由常规型(射流直径500-1200μm)向微型(射流直径1-100μm)发展，但受实验和加工水平所限，FJP的微观材料去除机理尚无定论，且纳米磨粒对直径10μm以下射流束的影响机理也未知。因此本项目提出通过建立含有团簇的水射流冲击水膜覆盖的粗糙表面的分子动力学仿真模型，辅以实验验证，分析碰撞过程中冲击表面材料的形貌、性质等变化，同时结合含有团簇的水射流在微管道内流场规律的仿真和实验结果，揭示FJP的微观材料去除机理。通过本课题研究，FJP的材料去除机理研究的理解深度将由现在的宏观层次提高到原子级别的微观层次，同时掌握射流束在微纳管道内尤其是近壁面的流场规律，为将来直径1μm以下的喷嘴加工进行理论准备，这对促进FJP的广泛应用具有重要意义。

按照申请书计划该项目已经顺利实现了基于射流抛光(FJP)的分子动力学仿真平台。本项目利用此仿真平台，结合相关实验，对冲击过程中二氧化硅团簇与硅基体的作用机制进行了系统分析，揭示了FJP及化学机械抛光(CMP)的微观材料去除机理。. 仿真结果表明在冲击加载过程中，单晶硅基体不同配位数原子之间的动态相变过程是分阶段地服从Boltzmann分布，且这些相变硅原子的动态滞留时间约为250fs，半寿命时间约为50fs。. 本项目系统研究了冲击载荷下单晶硅基体表面挤压(extrusion)和基体晶向之间的关系。在干或湿碰撞下，基体表面的extrusion在(001), (011)和 (111)晶向下分别呈现四重，二重和三重对称分布。干碰撞下，extrusion出现的临界速度在Si(110)最大，而Si(001)最小。而在湿碰撞下，extrusion出现的临界速度和晶向关系不明显。干、湿碰撞下，extrusion出现的临界速度在入射角分别为45°和30°时最小。. 对比干、湿碰撞过程，我们研究了硅基体表面损伤形成时水膜作用机制机理。研究表明在相同的冲击条件下，干碰撞下基体的损伤比湿碰撞下严重。其原因：一方面是在冲击的初始阶段水膜的缓冲作用；另一方面是在团簇变形阶段，水膜固化成连续的薄膜，从而将大量的冲击能量转化成热能量而耗散掉。. 抛光的目标是追求高的材料去除率和低的表面损伤。研究表明：在犁削效应、黏着效应以及原子的渗入效应共同作用下，相对于实心团簇而言，存在合适孔径的介孔团簇使得碰撞过程中基体材料去除量增加的同时，基体的损伤也在减小。此外，不同膜厚的氧化膜与单晶硅基体结合强度的差异是导致基体原子飞离数呈现膜厚效应的主要原因。上述仿真结果很好地解释了相关实验现象。. 在以上研究基础上建立了FJP的仿真平台。仿真结果表明对于水射流而言，含有一定量的团簇可显著提高射流对基体造成的损伤程度，这主要是由于射流中水流与团簇之间存在耦合加强作用。且这种耦合作用在喷射距离小于40埃及入射角度小于15°时才会存在。之后，耦合作用随喷射距离或入射角度的增加而快速减小，直至消失。此外，冲击表面的形貌对耦合作用也表现出选择性。这些结论与FJP实验现象相吻合。.