機械刻劃加工中的摩擦特性研究.pdf

1、隨著微機電技術(shù)的發(fā)展，對微、納尺度微細結(jié)構(gòu)的加工技術(shù)提出了更高要求。機械刻劃加工技術(shù)可靈活方便地實現(xiàn)微細結(jié)構(gòu)的加工，成為近年來研究的熱點。本文對機械刻劃加工中探針與材料間的摩擦特性進行研究，揭示材料去除與微結(jié)構(gòu)成形的機理，對機械刻劃加工工藝的優(yōu)化，具有重要意義。
　　本文通過實驗與仿真相結(jié)合的方法，研究了納米尺度下的黏著力變化規(guī)律;建立了微納刻劃過程摩擦系數(shù)計算模型，通過對實驗結(jié)果的分析，將機械刻劃加工中的摩擦區(qū)分為界面主導摩擦與

2、耕犁主導摩擦兩種類型;利用分子動力學仿真，從原子角度對刻劃機理進行仿真研究;分析了界面主導的摩擦與耕犁主導的摩擦特性對加工表面的影響規(guī)律。
　　從實驗角度，基于原子力顯微鏡證實了納米尺度黏著現(xiàn)象的存在，并利用分子動力學仿真方法，對納米尺度不同實驗參數(shù)對黏著的影響機理從原子角度進行分析。結(jié)果顯示:單晶硅納米水平下的黏著現(xiàn)象受法向載荷的影響，且隨壓入深度、探針半徑、脫離速度的增大而增大，仿真黏著力數(shù)值受塑性變形量的影響，塑性變形量越大

3、，黏著力越大。
　　在微納尺度上，以單晶硅試樣在刻劃過程中的摩擦機理為研究重點，建立了摩擦系數(shù)的數(shù)學計算模型，并應(yīng)用此模型討論不同實驗參數(shù)對摩擦機理的影響，從而揭示微納尺度單晶硅刻劃中的摩擦機理。得出:以界面摩擦主導的刻劃實驗發(fā)現(xiàn):隨著刻劃速度、刻劃距離、刻劃次數(shù)的增大界面摩擦系數(shù)呈減小趨勢，當刻劃速度為6μms-1、刻劃距離為15μm、刻劃次數(shù)為5次時，界面摩擦系數(shù)開始小于耕犁摩擦系數(shù)，摩擦機理開始由界面摩擦主導向耕犁摩擦主導轉(zhuǎn)

4、變。
　　以耕犁摩擦主導的刻劃實驗發(fā)現(xiàn):隨著刻劃載荷、刻劃距離增大，耕犁摩擦系數(shù)不斷增大，并且當刻劃載荷達到10mN時，耕犁摩擦系數(shù)大于界面摩擦系數(shù)，探針-試樣間的摩擦機理開始向耕犁主導的摩擦轉(zhuǎn)變。
　　刻劃次數(shù)對摩擦系數(shù)影響規(guī)律與其他實驗參數(shù)的影響規(guī)律存在明顯差別。低載荷下(1mN)，始終以界面摩擦為主導地位;但是在高載荷下(10mN)，隨著刻劃次數(shù)增加，摩擦機理由耕犁主導的摩擦開始向界面與耕犁組合的摩擦轉(zhuǎn)變。
　　

5、低速下（刻劃速度＜4μms-1），探針-試樣間以黏著導致的摩擦為主，隨著相對滑動速度的增大（刻劃速度＞6μms-1），主導滑動過程中摩擦力的因素轉(zhuǎn)變?yōu)楸砻鎸幼冃紊踔聊p，發(fā)生摩擦機理的轉(zhuǎn)變。
　　通過對刻劃過程的仿真得到:在探針前下方的試樣原子由于探針刻劃的擠壓作用受到較大的壓應(yīng)力值(＞200GPa)，在已刻劃的表面，則產(chǎn)生明顯的拉應(yīng)力。隨著刻劃深度、刻劃距離、探針半徑的增加，受拉、壓應(yīng)力的原子數(shù)增多，探針-試樣接觸面積增大，摩擦

6、力逐漸增大。
　　在以界面摩擦主導的加工條件下:刻劃次數(shù)增多，槽型鈍圓半徑減小，更加接近實際探針形狀。當累積刻劃距離＜40μm時，隨著累積刻劃距離增大、刻劃次數(shù)增大，溝槽內(nèi)更易產(chǎn)生裂紋，甚至出現(xiàn)層裂現(xiàn)象。隨著壓入深度增大(＜32nm)，更多的材料以材料堆積或碎屑的形式去除，溝槽兩側(cè)隆起現(xiàn)象減弱。當刻劃速度≤6μms-1，溝槽內(nèi)材料的不連續(xù)堆積現(xiàn)象隨著刻劃速度增大而減弱。
　　在以耕犁摩擦主導的加工條件下:溝槽兩側(cè)不平度與界面