晶體材料納米切削加工機(jī)理的研究.pdf

1、微納米器件加工是未來制造業(yè)發(fā)展的一個(gè)主要方向。近年來,隨著納米光電子設(shè)備、航空航天技術(shù)、傳感技術(shù)的發(fā)展,對加工微納器件提出了更高的要求。通過縮小產(chǎn)品尺寸,微納器件能夠有效的降低成本,降低環(huán)境污染,減小功耗,延長產(chǎn)品壽命。半導(dǎo)體工業(yè)的每一次變革,均要求減小器件尺寸,提高微納器件集成度。納米晶體作為制造微納器件的主體,與粗晶不同,具有晶粒尺寸較小、大比例晶界和缺陷結(jié)構(gòu)極少的特征。因此,理解納米晶體的加工機(jī)理,是當(dāng)前微納制造業(yè)的一項(xiàng)重要的仍待

2、解決的課題。采用實(shí)驗(yàn)的方法,對加工工件制備、實(shí)驗(yàn)條件、研究成本的要求較高。本文采用分子動(dòng)力學(xué)方法和蒙特卡羅方法等仿真理論,基于切片法采集的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立貼近實(shí)際的納米晶體微觀結(jié)構(gòu)仿真模型,研究納米晶體材料加工及其變形機(jī)理。這項(xiàng)研究對于理解納米晶體的超精密加工、納米加工及其力學(xué)行為等方面具有重要的理論價(jià)值,對于微納器件加工具有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義,為納米晶體加工制造技術(shù)提供必要的理論支撐,能夠有效的促進(jìn)納米加工制造業(yè)的發(fā)展。
　　本文基于多晶

3、材料微觀結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù),采用 Voronoi方法結(jié)合蒙特卡羅法建立多晶材料分子動(dòng)力學(xué)仿真模型。首先分析了大規(guī)模并行分子動(dòng)力學(xué)方法、蒙特卡羅法的基礎(chǔ)理論和納米多晶材料的微觀結(jié)構(gòu),基于并行算法構(gòu)建大規(guī)模計(jì)算平臺,實(shí)現(xiàn)千萬級原子的并行計(jì)算。采用多晶銅研磨實(shí)驗(yàn),理解多晶材料的微觀結(jié)構(gòu),依據(jù)連續(xù)切片法采集的多晶材料微觀結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù),建立多晶材料仿真模型,進(jìn)而區(qū)分多晶材料的各個(gè)微觀結(jié)構(gòu),通過建立貼近實(shí)際的多晶材料結(jié)構(gòu)仿真模型,為研究多晶材料納米加工機(jī)理奠定基

4、礎(chǔ)。
　　基于納米摩擦學(xué)、晶體彈塑性變形、熱力學(xué)和納米力學(xué)等理論基礎(chǔ),研究單晶材料(單晶硅、單晶銅)納米加工仿真,分析單晶材料去除、變形機(jī)理。研究了單晶材料納米加工過程中系統(tǒng)的溫度分布、應(yīng)力分布和熱力學(xué)耦合效應(yīng),及其對納米加工中刀具磨損和已加工表面質(zhì)量的影響,并從切削速度、切削刃鈍圓半徑的角度進(jìn)行對比分析。研究了單晶銅、單晶硅納米加工過程中工件內(nèi)部的各種缺陷結(jié)構(gòu),在此基礎(chǔ)上分析了外部加工環(huán)境水分子對材料去除及其熱力學(xué)效應(yīng)的影響。<

5、br>　　在基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立的多晶銅分子動(dòng)力學(xué)仿真模型的基礎(chǔ)上,通過研究多晶銅塊體材料、具有不同規(guī)則外形的多晶銅納米線拉伸、壓縮試驗(yàn)仿真,分析多晶材料的變形機(jī)理,揭示多晶材料的各個(gè)微觀結(jié)構(gòu),晶界、孿晶密度和晶粒尺寸對多晶材料力學(xué)性能的影響,并在分析過程中與單晶材料進(jìn)行對比。對建立的多晶材料仿真模型進(jìn)行測試并研究多晶材料的變形機(jī)理及其力學(xué)行為。
　　提出了基于多晶材料納米加工中內(nèi)應(yīng)力和缺陷結(jié)構(gòu)的演化分析多晶材料加工機(jī)理。內(nèi)應(yīng)力在多晶

6、材料裂紋、疲勞斷裂、腐蝕、變形機(jī)理等方面起到重要作用,依據(jù)內(nèi)應(yīng)力的擴(kuò)散自平衡距離將內(nèi)應(yīng)力分為多晶宏觀內(nèi)應(yīng)力、晶粒間的內(nèi)應(yīng)力、特殊結(jié)構(gòu)的內(nèi)應(yīng)力和原子應(yīng)力,分析了各種內(nèi)應(yīng)力的分布規(guī)律,并研究了晶粒尺寸、系統(tǒng)溫度、晶粒形狀對多晶材料內(nèi)應(yīng)力分布的影響。融合單晶材料納米加工方法,建立多晶銅納米加工仿真模型,通過多晶銅納米壓痕實(shí)驗(yàn)和分子動(dòng)力學(xué)方法模擬多晶銅納米壓痕、納米切削的仿真,進(jìn)而研究多晶材料納米加工機(jī)理。分析了納米加工過程中多晶銅工件內(nèi)部缺陷