基於納米摩擦與加工表面重構的機械刻蝕加工機理研究

《基於納米摩擦與加工表面重構的機械刻蝕加工機理研究》是依託山東大學，由朱洪濤擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：基於納米摩擦與加工表面重構的機械刻蝕加工機理研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：朱洪濤
• 依託單位：山東大學

中文摘要

納米機械刻蝕加工是一項工藝靈活、控制簡單的納米加工技術，在納米加工的單件小批量生產、刻蝕工具製造等方面具有獨特的優勢。本項目基於納米摩擦學與納米加工表面重構理論，對納米機械刻蝕加工中探針-工件界面之間的界面接觸、壓入、推擠、摩擦、斷裂、界面重構等作用過程以及加工條件和環境因素的影響進行納觀尺度研究及加工工藝仿真，揭示探針-工件界面之間的接觸作用、納米摩擦特性、加工表面創成機制。創建基於納米摩擦學理論的探針-工件界面納米摩擦作用機理模型，提出納米刻蝕加工表面原子重構能量平衡臨界條件，建立納米機械刻蝕表面創成機理模型；建立納米機械刻蝕加工工藝跨尺度仿真模型。本項目將深刻揭示納米機械刻蝕的物理/化學本質、機械刻蝕加工系統工藝特徵和探針-工件界面納觀特性。其研究成果為進一步發展和完善納米機械刻蝕加工技術提供基礎理論和套用技術支持。

結題摘要

納米機械刻劃加工是一種工藝靈活、控制簡單的納米加工技術，在納米加工的單件小批量生產、刻蝕工具製造等方面具有獨特的優勢。本項目基於納米摩擦學與納米加工表面重構理論，對納米機械刻蝕加工中探針-工件界面之間的界面接觸作用機理、納觀摩擦特性、刻劃表面創成機理和機械刻劃加工工藝開展研究。 基於原子力顯微鏡（AFM），研究了探針-工件界面的黏著現象。發現探針-工件界面間的黏著力在納米機械刻划過程中的作用不能忽略，揭示了金剛石探針-單晶矽試樣黏著現象受法向載荷的影響規律。研究發現，黏著作用會直接影響刻划過程探針-試樣間的摩擦係數，尤其對界面摩擦的影響最為顯著。 研究了機械刻划過程中探針-工件界面納觀摩擦特性，建立了摩擦係數的計算模型，界定了界面摩擦和耕犁摩擦兩種摩擦機理，定義了兩種不同的納米刻劃加工狀態：界面摩擦主導的刻划過程和耕犁摩擦主導的刻划過程，研究了不同刻劃深度對探針-工件界面納觀摩擦機理轉變的影響規律。納觀摩擦機理的轉變對刻劃表面形貌和缺陷的出現產生直接的影響。 對納米機械刻劃表面創成過程中界面原子的重構進行研究。對機械刻划過程中表層原子的應力、配位數進行了分析，採用拉曼光譜分析了刻劃表面的原子結構，揭示機械刻蝕表面創成中的主要機理包括表層材料原子的塑性流動、相變和自由表面原子結構的弛豫。納米機械刻蝕表面創成中存在材料相變機理的發現，為材料塑性流動和裂紋成核提供了一種理論分析的新角度。自由表面原子結構的弛豫，與機械刻劃表面尺寸和型面穩定性有直接關聯性。 研究了工藝參數對刻劃深度的影響，獲得納米刻劃深度預測模型；最佳化了刻劃速度和刻劃次數，揭示了材料彈性恢復對刻劃表面型面的影響及探針-工件界面摩擦機理的轉變對刻劃表面形貌的影響規律。 以上研究成果，不僅為進一步發展和完善納米機械刻劃加工技術提供基礎理論和套用技術支持，同時對精密微細切磨削加工，以及與納米接觸、摩擦相關領域的研究，提供理論參考。