剪切增稠抛光的材料去除数学模型

提出一种基于非牛顿幂律流体剪切增稠效应的新型抛光方法——剪切增稠抛光(Shear thickening polishing,STP),通过对剪切弹性层理论的研究,推导出剪切增稠抛光中非牛顿幂律流体与工件之间的剪切弹性层最小厚度方程。在此基础上,根据Preston方程,建立加工过程中的材料去除数学模型。当流速U一定时,非牛顿剪切增稠幂律流体相对于牛顿流体或剪切稀化流体能够使得加工获得更高的材料去除率(Material removal rate,MRR),随着黏性指数n的不断增加,MRR会进一步增大。当黏性指数n和稠度系数K分别为2和0.32时,随着U的增大,MRR呈现幂函数增长趋势,说明增大流速,有利于提高加工效率。在STP加工系统上进行f20 mm的GCr15轴承钢圆柱工件的加工试验,经过90 min的STP后,表面粗糙度由R_a 105.95 nm降至R_a 5.99 nm,MRR达到2.1μm/h。MRR理论值与试验值之间的相对误差仅为6.12%,试验结果证明所建MRR模型具有一定的有效性。     

不同组分配比对剪切增稠抛光流体流变性能的影响

为研究分散相质量分数、磨粒质量分数、磨粒粒径和分散介质种类对分散体系剪切增稠特性的影响,通过四因素三水平正交试验探究了不同组分含量下分散体系的流变性能,并通过极差分析得出各组分对剪切增稠特性的影响规律,最后进行抛光试验验证。结果表明,各组分对剪切增稠特性的影响由大到小依次为分散相质量分数、分散介质种类、磨粒粒径、磨粒质量分数。对于优选的组分配比,分散相质量分数30%、磨粒质量分数23%、磨粒粒径40nm、分散介质WSP200与WSP400复配,其峰值粘度达到临界点粘度的2.49倍。在抛光试验中,抛光液用量为5ml/min,硅片表面粗糙度R_a由68nm降至11nm,表明其能以较低的损耗实现硅片的精密抛光。     

线性液动压抛光流场的剪切特性研究

以动压润滑理论为基础,推导了线性液动压抛光的流场剪切力数学模型.借助FLUENT软件研究了流场底面的剪切力分布,通过单因素控制变量试验探究了各参数对剪切力的影响规律,灵敏度从高到低依次为:抛光间隙、抛光液黏度、抛光辊子转速、抛光辊子半径.以正交试验结果为训练集,建立了基于支持向量回归(SVR)的剪切特性预测模型,相关系...     

齿轮齿廓抛光方法研究进展

齿轮是现代机械传动系统中运用最为广泛的传动件,齿轮齿廓的精度和表面质量对齿轮传动的精度、平稳性、可靠性和噪声影响巨大。齿轮的加工过程通常要经历初切齿—热处理—初磨—精磨等工艺过程,然而,经磨削加工后齿廓仍然存在磨削横纹、表面粗糙度难以进一步降低、表面粗糙度沿齿廓分布不均匀等问题。目前,齿轮经磨削后进行齿廓抛光是解决上述问题的有效途径之一。为此,将现有主要齿轮齿廓抛光方法归纳为齿廓电化学机械抛光、齿廓磨料流抛光、齿廓磁流变抛光以及齿廓剪切增稠抛光等4大类。详细阐述了当前主要齿轮齿廓抛光方法的加工原理;列举了各种加工方法的加工实例;从加工的适应范围、加工效率、抛光后的齿廓表面粗糙度的改善率以及对加工设备的要求等方面归纳了各个加工方法的技术优势和存在的问题。结果表明,使用其他辅助能场（如超声、激光、磁场等）与传统抛光方法复合以实现高效、高精度、高表面一致性齿廓抛光将是未来的主要研究方向。     

新型磁流变-剪切增稠阻尼器的力学模型及试验研究

针对阻尼器的主被动控制特性的需求,利用磁流变剪切增稠协同效应的流变机理,提出并设计磁流变-剪切增稠阻尼器。试验制备磁流变-剪切增稠流体,测试其流变特性,并基于Cross模型与LM算法建立其表观黏度模型。通过磁场磁路的仿真优化,设计并研制新型双出杆磁流变-剪切增稠阻尼器。结合上述研究,建立该阻尼器的力学模型,并对其阻尼力进行动态性能测试。测试结果表明,阻尼器在110m T磁场的主动控制下,提升34.3%阻尼力峰值;随着振荡频率增加,可以提升至少64.2%的阻尼力。同时,验证了阻尼特性力学模型预测的有效性,最大误差为8.9%。     

约束磨料流体抛光特性的仿真及实验研究

为了研究约束磨料流体抛光的流场特性,基于Navier-Stokes方程和流体流动的连续性方程,建立限控轮与工件加工区流体动压力的三维数学模型,利用Matlab软件对流体动压力进行仿真计算。结果表明:约束磨料流体抛光时流体动压力与最小间隙成反比,与限控轮的速度成正比,最大压力峰值发生在限控轮与工件最小间隙区域,同时在该区域压力梯度变化明显。对K9玻璃进行约束磨料流体抛光实验研究,实验结果表明:减小限控轮与工件的最小间隙,提高限控轮的速度,均能够有效地提高玻璃的表面质量。结合仿真和实验结果,表明在一定的条件下,随着楔形加工区动压力的增加,磨粒在接触区所获得的能量越高,玻璃的表面质量相应得到提升。     

纳米聚集氧化硅固定磨料抛光布的抛光特性

针对传统磨料的固定磨料抛光布容易在加工表面产生划伤,以及材料去除效率低等问题,提出了采用微米级球形聚集氧化硅粒子的固定磨料抛光布。将纳米聚集氧化硅粒子添加到抛光布中,用pH为10.5的碱性水溶液替代传统的抛光液,进行了Si基板的的抛光加工试验。与传统采用不规则形状天然氧化硅及球形熔融氧化硅固定磨料抛光布进行了比较,得到了纳米聚集氧化硅的固定磨料抛光布的加工特性,并讨论了它的基本参数对加工特性的影响。实验得到了与现行纳米抛光液(重量百分比为3%,pH=10.5)相同的材料去除率,加工表面粗糙度降低了约30%。与传统不规则形状天然氧化硅磨料抛光布相比,纳米聚集氧化硅抛光布的磨料为球形,弹性系数仅为其1.4%~60%,因此不易划伤抛光表面。与熔融氧化硅抛光布相比,纳米聚集氧化硅抛光布在pH为10.5的碱性水溶液中磨料表面可吸附的[-OH]离子提高了25倍,使得液相化学去除作用增大至去除率的70%以上。另外,随着纳米聚集氧化硅的微米粒径的增大,固定磨料抛光布的纳米级加工表面粗糙度几乎不变,但对前加工面表面粗糙度的去除能力明显增大,表现出微米粒径效应。     

不同壳厚聚苯乙烯/氧化铈复合磨料的合成及其抛光特性

以表面带负电荷的聚苯乙烯(Polystyrene,PS)微球为内核,采用液相工艺合成不同壳厚的聚苯乙烯/氧化铈(PS/Ce02)核壳包覆结构复合磨料,并用透射电子显微镜、场发射扫描电子显微镜、激光拉曼(Raman)光谱仪、热重示差扫描量热仪和动态光散射仪等手段对样品进行表征.用原子力显微镜观察和测量抛光表面的微观形貌、轮廓及粗糙度,考察复合磨料壳厚对硅晶片热氧化层抛光性能的影响.结果表明,所制备的PS/Ce02复合磨料呈规则球形,粒径在200～250 nm,壳厚在10～30nm.化学机械抛光结果显示,PS/CeO2复合磨料对硅晶片热氧化层表现出良好的抛光特性,且复合磨料壳厚对抛光表面粗糙度和材料去除率具有较大影响.经壳厚为20 nm的复合磨料抛光后晶片表面在5μm×5 μm范围内粗糙度平均值和方均根值分别为0.196 nm和0.254 nm,材料去除率为568.2 nm/min.     

基于正交试验法的磁流变液制备及其特性分析

以羰基铁粉为软磁性颗粒,以履带车辆专用减振液为母液,以硬脂酸、高岭土和Fe2O3为添加剂,通过正交试验法制备出多种磁流变液(MRF)的样品。并对MRF的沉降稳定性、零场粘度、剪切屈服强度、温度影响和MRF减振器的示功特性进行了研究。结果表明,当硬脂酸为2%,高岭土为1%和Fe2O3为2%时所制备的MRF的剪切屈服强度为77.6kPa(电流为1A,120r/min),并且沉降稳定性好,零场粘度低;在MRF减振器的示功特性试验中,当施加的电流从0到0.75A时,MRF减振器的峰值复原阻尼力增加了2.7倍,峰值压缩阻尼力增加了2.4倍。     

一种Al_2O_3陶瓷导轨的超精密加工方法

提出了700mm长Al_2O_3陶瓷导轨超精密加工的工艺流程;依次介绍了磨削、研磨使用的工艺方法和检测方法,并详细介绍了采用自行研发的超精密导轨研磨抛光机对导轨抛光的工艺方法、工艺参数和检测方法。采用Zygo平面干涉仪检测导轨面形,通过子孔径拼接技术,得到导轨面700mm×260mm表面面形误差最大峰谷值为0.78λt(λ=632.8nm),面形误差均方根值为0.1λ。     

利用复合磨粒抛光液的硅片化学机械抛光

为了提高硅片的抛光速率,利用复合磨粒抛光液对硅片进行化学机械抛光.分析了SiO2磨粒与聚苯乙烯粒子在溶液中的ζ电位及粒子间的相互作用机制,观察到SiO2磨粒吸附在聚苯乙烯及某种氨基树脂粒子表面的现象.通过向单一磨粒抛光液中加入聚合物粒子的方法获得了复合磨粒抛光液.对硅片传统化学机械抛光与利用复合磨粒抛光液的化学机械抛光进行了抛光性能研究,提出了利用复合磨粒抛光液的化学机械抛光技术的材料去除机理,并分析了抛光工艺参数对抛光速率的影响.实验结果显示,利用单一SiO2磨料抛光液对硅片进行抛光的抛光速率为180 nm/min;利用SiO2磨料与聚苯乙烯粒子或某氨基树脂粒子形成的复合磨粒抛光液对硅片进行抛光的抛光速率分别为273 nm/min和324 nm/min.结果表明,利用复合磨粒抛光液对硅片进行抛光提高了抛光速率,并可获得Ra为0.2 nm的光滑表面.     

Preparation of silane modified SiO2 abrasive particles and their Chemical Mechanical Polishing (CMP) performances

Surface modified SiO₂ particles in an aqueous environment with γ-aminopropyl triethoxysilane (APTS)/methyl trimethoxysilane (MTMOS) are introduced as abrasive in the slurry. The modified silica particles are characterized by Particle Size/Zeta Potential Analysis, Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR), Thermal Gravimetric Analysis (TGA) and Differential Scanning Calorimetry (DSC). In addition, the enhancement of polishing rate owning to the modified silicon particles in silicon wafer Chemical Mechanical Polishing (CMP) is observed.     

Al2O3掺杂ZnO纳米粉体的制备及气敏特性研究

采用sol-gel法制备了w(Al2O3)为2%～4%的Al2O3-ZnO纳米粉体,利用XRD和SEM等测试手段分析了粉体的微观结构.研究了Zn2+浓度、pH值和清洗对粉体制备的影响.采用静态配气法测试了由所制粉体制成的气敏元件对丙酮、乙醇、甲醇等气体的气敏性能.结果表明:用该法得到的粉体材料颗粒粒径小,工作温度为160℃时,由w(Al2O3)为3%的粉体在700℃退火制得的气敏元件对体积分数为40%的丙酮的灵敏度最高可达到7 779,响应-恢复时间均为1S.     

Vacuum Methods in Electron Microscopy. By Wilbur C. Bigelow

Microstructural evolution in two in situ reinforced composite systems, one produced by partial reduction and the other by grain growth, has been examined over a range of size scales using light microscopy, scanning electron microscopy (SEM) and transmission electron microscopy (TEM). Metal-ceramic matrix composites were formed by the partial reduction of Al₂O₃–Cr₂O₃ solid solutions to form Cr metal particles in an Al₂O₃–Cr₂O₃ matrix which had a lower Cr₂O₃ concentration. In a second system, grain growth of Si₃N₄ during liquid phase sintering produced large, whisker-like grains in a fine-grained Si₃N₄ matrix, bonded by an oxynitride phase. The mechanisms controlling microstructural evolution in these two systems were examined.     

激光清洗硅片表面Al2O3颗粒的试验和理论分析

以KrF准分子激光器为激光源,对目前工业上常用的硅片研磨抛光液的主要成分Al₂O₃颗粒进行激光清洗的试验和理论分析。建立一维热传导模型,利用有限元分析软件MSC.MarC模拟硅片表面的温度随激光作用时间和能量密度的分布。通过理论计算,量化了颗粒所受到的清洗力以及其与硅片表面之间的粘附力,理论预测出1 μm Al₂O₃颗粒的激光清洗阈值为60 mJ/cm²。在理论分析的指导下,利用248 nm、30 ns的KrF准分子激光进行单因素试验,研究激光能量密度、脉冲个数、激光束入射角度对激光干法清洗效率的影响,并且实验验证了清洗模型以及场增强效应对激光清洗结果的影响。     

Processing and properties of Al2O3/SiC nanocomposites

Alumina/SiC nanocomposites were produced by mechanical mixture of commercial powders. The preparation steps involved the vigorous mixing of the powders and drying under conditions where the homogeneous mixture was kept stable. Pressureless sintering of die-pressed powders achieved reasonable densities (～97% theoretical density) for 2·5wt% of SiC on sintering at 2073 K. Higher SiC contents strongly reduced the sintered density. The use of a more reactive alumina (finer matrix powder) gave similar results. Hot pressing at 1973 K/1 h/25 MPa produced high-density materials for SiC contents as high as 20 wt%. Transmission and scanning electron microscopy analysis showed that the SiC particles were well distributed and were situated both inside the grains and on the grain boundaries of the alumina matrix. The SiC strongly inhibited grain growth in the matrix in keeping with the Zener model. The bend strength increased as the SiC content increased, a result partly explained by the grain size refinement. The strength improvement of 20% over monolithic was explained in terms of the change to an intergranular fracture mode.     

Structure of electrodeposited graded composite coatings of Ni–Al–Al2O3

The structure of electrodeposited composite coatings of Ni–Al–Al₂O₃, with Ni as the matrix and Al and Al₂O₃ as second-phase particles, was investigated using light microscopy and scanning electron microscopy. Ni coatings with no particles, which were used as reference samples, had progressively coarser structures with increasing current density. Co-deposition with Al resulted in refinement of the Ni matrix structure at high (>10 A dm⁻²) current densities. For single-particle baths, the co-deposition of Al₂O₃ was more strongly affected by current density and bath particle content than was the co-deposition of Al. However, for baths containing both Al and Al₂O₃ the amount of incorporated Al₂O₃ no longer depended on current density. With the choice of appropriate conditions, coatings of Ni with up to 39 vol.% Al₂O₃ were made. Similar experiments with Al yielded a maximum of 17.5 vol.% only. Uniform and graded mixed-particle coatings were also produced. When coatings containing Al were annealed, the reaction of the two elements resulted in the formation of either single-phase γ or two-phase γ–γ' alloys, in agreement with the equilibrium phase diagram.     

共沉淀法制备纳米CuO/Al2O3复合粉体

以NH4 HCO3为沉淀剂、CuSO4和NH4Al(SO4)2为母液,采用共沉淀法制备CuO/Al2O3复合粉体,用激光粒度分析仪、扫描电镜、X射线衍射仪等研究了母液浓度、沉淀剂浓度、反应温度、pH值等工艺条件对粒径和粒度分布的影响.结果表明:通过控制反应条件,可获得粉体粒径较小、分布较窄的纳米CuO/Al2O3复合粉体;最佳工艺参数为反应温度55℃,pH值为7,CuSO4浓度为0.095 mol/L,NH4Al(SO4)2质量浓度为1.67 g/L,NH4HCO3浓度为1.52 mol/L,得到的纳米复合粉体的粒径在60 nm左右.