KDP晶體固結磨粒線鋸鋸切應力場耦合分析.pdf

1、KDP晶體具有較大的電光和非線性系數(shù)以及較高的激光損傷閾值，是目前可用作慣性約束核聚變工程中的首選非線性光學晶體材料。但是KDP晶體具有質(zhì)軟、脆性高、易潮解、對溫度變化敏感等特性，在生長、出槽以及切片加工等過程中容易出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。KDP晶體切片加工作為第一道加工工序，直接影響到后續(xù)工序的加工過程乃至晶片的成品率。固結磨粒線鋸切片技術具有鋸口損耗小、鋸切應力低、能加工大尺寸晶體等優(yōu)點，將其應用于KDP晶體切片加工，有望解決大尺寸KDP晶體

2、切割過程中存在的晶片與晶體開裂等問題。本文針對KDP晶體的固結磨粒線鋸切片加工，基于理論分析和有限元仿真，對線鋸鋸切過程中晶體應力場分布的變化規(guī)律進行了深入分析，主要工作如下:
　　根據(jù)晶體定向切割原理，分析了KDP晶體不同晶面的線鋸鋸切方式。通過分析晶體(001)晶面、二倍頻晶面與三倍頻晶面的晶面性質(zhì)，確立了這三個常用晶面固結磨粒線鋸切片加工時的鋸切定向方案。分析表明，(001)晶面鋸切裝夾固定時只需要簡單定向即可，并不需要對晶

3、體進行旋轉;鋸切加工三倍頻晶面時需要一次旋轉定向，二倍頻晶面則需要經(jīng)過兩次旋轉定向。
　　建立了KDP晶體線鋸切割的仿真模型，分析了鋸切過程中晶體內(nèi)部應力場的動態(tài)分布規(guī)律。基于各向異性彈性力學和有限元法理論，綜合考慮材料模型、初始內(nèi)應力場、鋸切力動態(tài)載荷、材料去除等線鋸切割加工模擬關鍵因素，研究了晶體(001)晶面與三倍頻晶面線鋸切割應力場變化規(guī)律。結果表明，鋸切過程中應力變化整體平穩(wěn)，屬低應力鋸切方式，當晶體即將切斷時，最大拉應

4、力顯著增加;隨著被加工材料的去除，晶體初始內(nèi)應力釋放，晶體內(nèi)部距離待加工表面越近的點，切割過程中應力變化越劇烈;鋸口處因鋸切應力與內(nèi)應力相互耦合而產(chǎn)生應力集中，并且晶體初始內(nèi)應力越大，應力集中越嚴重。
　　建立了含缺陷的KDP晶體線鋸切割數(shù)值計算模型，結合應力集中理論，分析了鋸切過程中缺陷附近的應力分布狀態(tài)，研究了缺陷尺寸及分布位置對應力分布的影響。結果表明，晶體缺陷引起應力集中，鋸切過程中應力集中系數(shù)保持穩(wěn)定，但當鋸口通過缺陷時

5、，應力集中系數(shù)激增;鋸口處也存在應力集中，當鋸口靠近缺陷時，兩種應力集中的耦合效應增強，缺陷處最大拉應力增大;鋸切至缺陷處時，耦合效應最強，最大拉應力增大到最大值;缺陷距離切除層越近，鋸切過程中最大拉應力的變化越劇烈，并且鋸切末段切除層中的缺陷處具有更大的最大拉應力。
　　基于溫度場與熱應力場分析基本原理，建立了KDP晶體線鋸切割熱分析有限元模型，分析了鋸切過程中晶體內(nèi)部溫度場和熱應力場的變化規(guī)律，同時進行了熱應力場與初始內(nèi)應力場