單晶碳化硅晶片的激光-水射流復(fù)合近無(wú)損傷微細(xì)加工機(jī)理研究.pdf_第1頁(yè)
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文檔簡(jiǎn)介

1、單晶碳化硅的硬度大、熔點(diǎn)高、導(dǎo)熱率高,具有非常高的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性。單晶碳化硅具有優(yōu)異的半導(dǎo)體性質(zhì),是第三代半導(dǎo)體材料,在半導(dǎo)體工業(yè)中具有廣泛的應(yīng)用范圍和發(fā)展前景。但是,單晶碳化硅是典型的難加工硬脆材料,為了提高其加工效率和加工質(zhì)量,本文對(duì)單晶碳化硅晶片的激光-水射流復(fù)合近無(wú)損傷微細(xì)加工機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)研究。本文的研究成果可用于類似硬脆材料的近無(wú)損傷微細(xì)加工。
  實(shí)驗(yàn)研究了激光-水射流復(fù)合微細(xì)加工單晶碳化硅晶片的成形性能。研究

2、了工藝參數(shù)對(duì)槽深、槽寬和材料去除率影響的顯著性。結(jié)果表明,射流傾角、射流偏置距離、噴嘴靶距、掃描速度、激光平均功率和水壓對(duì)槽深、槽寬和材料去除率的影響都非常顯著;激光焦平面高度對(duì)槽深和材料去除率的影響非常顯著,對(duì)槽寬的影響不顯著;激光脈沖頻率對(duì)槽深的影響非常顯著,對(duì)槽寬和材料去除率的影響中等顯著。建立了槽深、槽寬和材料去除率的回歸預(yù)報(bào)模型,該模型預(yù)報(bào)結(jié)果平均誤差均低于10.0%。研究了單一工藝參數(shù)對(duì)槽深、槽寬和材料去除率的影響規(guī)律。結(jié)果

3、表明,槽深、槽寬和材料去除率隨著激光平均功率的增加而增大;槽深、槽寬和材料去除率隨著射流偏置距離的增加而先增大后減小;槽深、槽寬和材料去除率隨著噴嘴靶距和水壓的增加而降低;槽深和槽寬隨著掃描速度的增加而降低,材料去除率隨著掃描速度的增加而先增大后減小。研究了工藝參數(shù)間的交互作用對(duì)槽深、槽寬和材料去除率的影響規(guī)律。結(jié)果表明,使槽深、槽寬和材料去除率達(dá)到極大值的臨界射流偏置距離隨著水壓的增加而增大,但是幾乎不隨噴嘴靶距的變化而變化。

4、  對(duì)激光-水射流復(fù)合微細(xì)加工單晶碳化硅晶片的加工表面質(zhì)量進(jìn)行了評(píng)價(jià)。結(jié)果表明,激光-水射流復(fù)合微細(xì)加工后的材料表面質(zhì)量較高,其加工區(qū)域與未加工區(qū)域間的邊界清晰,切口邊緣平直,切口兩側(cè)的材料表面潔凈;加工得到的V形槽具有較好的三維形貌和截面輪廓,槽的邊緣與未加工表面間的過渡平滑;在切口兩側(cè)未觀察到明顯的熱影響區(qū),切口側(cè)壁表面紋理清晰,具有發(fā)生塑性去除行為后的材料表面特征,材料表面不存在重鑄層。
  研究了激光-水射流復(fù)合微細(xì)加工過

5、程中,激光、水與工件材料之間的多場(chǎng)耦合作用機(jī)理與規(guī)律。研究了激光對(duì)工件材料的加熱作用,建立了激光熱源在空間和時(shí)間上的分布模型。結(jié)果表明,激光熱源的能量在z軸上呈指數(shù)分布,沿z軸負(fù)方向逐漸減弱;激光熱源在時(shí)間上呈脈沖周期分布,激光強(qiáng)度在脈沖持續(xù)期間內(nèi)近似為正態(tài)分布。研究了水射流對(duì)工件材料的沖擊作用。結(jié)果表明,最大壁面切應(yīng)力隨著噴嘴靶距的增加而降低;隨著噴嘴靶距的增加,最大壁面切應(yīng)力點(diǎn)逐漸遠(yuǎn)離滯點(diǎn)。研究了水射流對(duì)工件材料的冷卻作用。結(jié)果表明

6、,射流沖擊區(qū)的平均對(duì)流換熱系數(shù)比壁面射流區(qū)高兩個(gè)數(shù)量級(jí),水射流強(qiáng)制對(duì)流換熱主要發(fā)生在射流沖擊區(qū);射流沖擊區(qū)和壁面射流區(qū)的平均對(duì)流換熱系數(shù)隨著水壓的升高而增大。研究了水射流對(duì)激光的干涉作用。結(jié)果表明,水對(duì)激光的反射率為2%左右;水對(duì)激光的吸收率在沖擊區(qū)小于1.4%,在壁面射流區(qū)小于0.3%;折射后激光焦平面位置下移,激光束聚焦直徑增大;折射率隨著溫度的升高而略有減小,水壓變化對(duì)折射率的影響較小;水的紊動(dòng)和摻氣導(dǎo)致激光射入水中后光束質(zhì)量下降

7、,水壓升高增強(qiáng)了水的紊動(dòng)性,導(dǎo)致激光光束質(zhì)量進(jìn)一步降低;加工時(shí)水中不會(huì)形成等離子體。
  研究了激光-水射流復(fù)合微細(xì)加工過程中工件材料內(nèi)部的溫度場(chǎng)分布。確定了激光-水射流復(fù)合微細(xì)加工單晶碳化硅的溫度場(chǎng)模型的初始條件和邊界條件;研究了4H單晶碳化硅的熱物理性質(zhì)與溫度的關(guān)系;建立了考慮工件材料高溫?zé)嵛锢硇阅軈?shù)變化的激光。水射流復(fù)合微細(xì)加工單晶碳化硅的溫度場(chǎng)模型。結(jié)果表明,在0-200ns時(shí)間范圍內(nèi)工件材料內(nèi)部溫度逐漸升高,工件材料被

8、加熱區(qū)域逐漸擴(kuò)大;工件材料內(nèi)部的等溫線分布規(guī)律與激光熱源作用于工件材料內(nèi)部的能量分布規(guī)律一致。
  揭示了激光-水射流復(fù)合微細(xì)加工單晶碳化硅的材料去除機(jī)理。當(dāng)溫度高于脆塑轉(zhuǎn)變溫度時(shí),單晶碳化硅的屈服強(qiáng)度低于斷裂強(qiáng)度,表現(xiàn)出塑性行為。當(dāng)施加在主滑移系(0001)<11(2)0>上的分切應(yīng)力大于工件材料的臨界分切應(yīng)力時(shí),工件材料發(fā)生晶格滑移、變形并最終被去除。隨著溫度的升高,4H單晶碳化硅的臨界分切應(yīng)力顯著下降;當(dāng)溫度為1650K時(shí),

9、4H單晶碳化硅的臨界分切應(yīng)力小于5MPa。建立了激光-水射流復(fù)合微細(xì)加工4H單晶碳化硅的工件材料去除廓形有限差分模型,實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模型的有效性,該模型對(duì)槽深、槽寬和切口截面輪廓的預(yù)報(bào)均具有較高的精度。研究了一個(gè)激光脈沖周期和多個(gè)激光脈沖周期內(nèi)的溫度演變和材料去除廓形演變過程。結(jié)果表明,在一個(gè)激光脈沖周期內(nèi),材料加熱發(fā)生在整個(gè)脈沖持續(xù)期間(0-350ns),材料去除大致發(fā)生在200-350ns時(shí)間范圍內(nèi);當(dāng)t≈350ns時(shí),材料加熱和去除暫

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