發(fā)布時間：2017-05-11 08:26

第 1 章 緒 論

當前開展新型微納米制造技術(shù)的研究是制造科學與技術(shù)發(fā)展趨勢與前沿�，F(xiàn)有的微納米加工技術(shù)存在許多缺點，如激光加工技術(shù)的加工深度精確控制較難，聚焦離子束加工技術(shù)很難達到大范圍納米精度、LIGA 技術(shù)難于實現(xiàn)三維浮雕結(jié)構(gòu)加工、車削加工時多軸高精度聯(lián)動控制和微小刀具制作較難、微細電火花加工技術(shù)加工表面質(zhì)量不高等。并且這些方法主要適合于在平面上加工微納結(jié)構(gòu)。到目前為止，現(xiàn)有的加工技術(shù)很難簡單的實現(xiàn)尺度可控的、跨尺度的、納米精度的微結(jié)構(gòu)，尤其是在微小斜面或微球的回轉(zhuǎn)曲面上微納結(jié)構(gòu)的加工。因此，開展在平面甚至是微小曲面上制造毫米尺度、納米精度微米結(jié)構(gòu)的新原理、新工藝、新裝置的研究具有重要的科學意義。基于原子力顯微鏡（AFM）的納米機械加工技術(shù)已經(jīng)成功的應(yīng)用于納米加工領(lǐng)域，并且實現(xiàn)了微米尺度、納米精度復雜三維結(jié)構(gòu)的加工。實際上，AFM 系統(tǒng)是由一個很軟的彈性微懸臂帶動針尖運動實現(xiàn)納米精度加工的彈性工藝系統(tǒng)。

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第 2 章 AFM 恒力模式下加工深度影響因素研究

2.1 引言

分子動力學仿真分析方法是研究納米級材料去除機理的有效手段，目前分子動力學仿真研究主要集中在給定加工深度時不同加工參數(shù)如探針幾何形狀、刻劃軌跡、進給量、切削形式以及加工深度等對切削力、溝槽形貌以及加工過程中產(chǎn)生位錯的影響87-89]。而采用恒力模式下 AFM 納米機械加工方面的分子動力學仿真研究還未見相關(guān)報道，對于在恒力模式下刻劃單條溝槽后產(chǎn)生的材料位錯對后續(xù)相同位置多次刻劃的影響以及單晶金屬的晶向?qū)Χ啻慰虅澾^程中材料去除狀態(tài)的影響還沒有深入研究。本文中將通過分子動力學仿真的方法研究這些問題，并通過在典型單晶金屬材料單晶銅表面上進行單線溝槽刻劃實驗對其驗證。此外，在 AFM 探針機械刻劃實驗中，所用的 AFM 探針的形狀通常為非回轉(zhuǎn)對稱，且 AFM 探針微懸臂的剛度系數(shù)值有一定范圍，不是無限大，在刻劃過程中探針微懸臂會產(chǎn)生彈性變形。因此，在恒力模式下不同刻劃方向會對微懸臂變形量以及探針與樣品之間接觸面積產(chǎn)生一定影響，進一步導致切屑的形成和溝槽加工深度的變化。為了排除單晶金屬材料晶向?qū)Σ牧先コ�的影響，本章采用通常被假設(shè)成各向同性的鋁合金材料進行加工實驗，詳細地分析和討論在采用 AFM 機械刻劃過程中刻劃方向和進給方向?qū)Σ牧先コ隣顟B(tài)的影響規(guī)律，包括切屑的形成機理、加工深度以及加工后形成的表面質(zhì)量，得到加工一維單線和二維/三維納米結(jié)構(gòu)優(yōu)化的刻劃方向和進給方向。

2.2 基于 AFM 微探針納米機械加工的原理

如圖 2-1(a)所示為 AFM 系統(tǒng)示意圖，在 AFM 納米機械加工過程中將 AFM探針看成為一個微小的刀具對樣品表面進行刻劃，通常在接觸模式下實現(xiàn)加工。AFM 探針施加在樣品上恒定的垂直載荷(FN)是通過調(diào)節(jié) AFM 掃描陶管豎直方向的位移使刻劃過程中探針微懸臂變形量保持不變來實現(xiàn)的。AFM 探針在樣品表面上施加一個相對較大的垂直載荷 FN（通常為幾百納牛到幾百微牛），使被加工的樣品材料產(chǎn)生塑性形變實現(xiàn)樣品材料的去除，如圖 2-1(b)所示，去除的材料會沿著 AFM 探針刻劃方向產(chǎn)生堆積或形成切屑。探針施加的垂直載荷是控制加工結(jié)構(gòu)深度的主要因素。因此，利用該恒力加工方法得到預期加工深度的微納結(jié)構(gòu)，需要在加工之前確定對應(yīng)的垂直載荷 FN。

第 3 章 基于 AFM 納米機械加工載荷與深度理論模型 ..... 55

3.1 引言 ..........55
3.2 加工金屬材料載荷與深度理論模型的建立............56
3.3 加工聚合物材料載荷與深度理論模型的建立.........63
3.4 本章小結(jié)............68
第 4 章 AFM 納米機械加工載荷與深度關(guān)系實驗研究 ........ 69
4.1 引言 ....69
4.2 納米刻劃金屬材料載荷和深度關(guān)系的實驗研究 .......69
4.3 聚合物納米加工過程中彈性回復的檢測方法研究.......76
4.4 聚合物納米溝槽載荷與加工深度關(guān)系的實驗研究 ....84
4.5 本章小結(jié)..........91
第 5 章 跨尺度微納結(jié)構(gòu)加工工藝研究.. 93
5.1 引言 ...........93
5.2 毫米尺度納米溝槽加工原理 ..................93
5.3 基于探針軌跡運動的加工工藝參數(shù)對加工溝槽的影響研究 ...................95
5.4 毫米尺度納米通槽陣列以及階梯結(jié)構(gòu)分層加工實驗 ..........103
5.5 底部帶有階梯結(jié)構(gòu)納米溝槽加工的速度匹配關(guān)系研究........105

第 6 章 微小球面上微納結(jié)構(gòu)加工及誤差分析

6.1 引言

目前，有許多國家開展慣性約束聚變實驗用于解決未來的能源危機，在慣性約束實驗中關(guān)鍵部件為從直徑 0.1mm 至幾毫米的微球[130,131]，前人的研究表明微球表面質(zhì)量如表面粗糙度和其他缺陷會導致瑞利−泰勒流體力學不穩(wěn)定性的發(fā)生，從而使慣性約束聚變實驗失敗。然而微球表面的缺陷是隨機的，為了研究瑞利−泰勒流體力學不穩(wěn)定性的發(fā)生條件，需要得到具有可控缺陷的微球。有些學者提出在微球表面加工納米結(jié)構(gòu)，這些微球表面的納米結(jié)構(gòu)可以模擬微球上不同尺寸和形狀的缺陷。有學者利用激光加工的方法在微球表面隨機加工出不同深度的微坑132]，該研究揭示了在微球表面上加工微納結(jié)構(gòu)是研究瑞利−泰勒流體力學不穩(wěn)定性的有效途徑，然而利用激光方法加工微納結(jié)構(gòu)的深度不易控制且在微球上的加工位置較為隨機。同時，，微球的尺寸很小，并且通常微球是空心的，壁厚小于 1.2μm，在其表面用現(xiàn)有的加工方法較難得到復雜、規(guī)則以及尺寸可控的微納結(jié)構(gòu)。因此，本文提出利用 AFM 納米機械加工的方法在微球表面加工微納結(jié)構(gòu)。

6.2 基于 AFM 的五軸納米機械加工裝置

如圖 6-2所示為采用 AFM探針在微球表面加工微納米結(jié)構(gòu)的原理示意圖。圖 6-2(a)表示 AFM 探針以垂直載荷 FN作用到微球表面上，通過幾種探針與微球表面的相對運動實現(xiàn)微納結(jié)構(gòu)的加工，包括軸系以 n 為轉(zhuǎn)速進行的旋轉(zhuǎn)運動，探針在掃描陶管帶動下做的往復直線運動加工連續(xù)微納結(jié)構(gòu)；以及微球旋轉(zhuǎn)一定角度后保持靜止，探針做二維掃描運動加工方坑等結(jié)構(gòu)。本文中利用上述兩種方式在微球表面上加工環(huán)形溝槽結(jié)構(gòu)、微納米方坑陣列結(jié)構(gòu)、圓形凹坑陣列結(jié)構(gòu)以及三角形凹坑陣列結(jié)構(gòu)。圖 6-2(b)為微球局部放大圖示意圖，沒有按實際比例作圖。
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結(jié) 論

基于 AFM 納米機械加工技術(shù)是一種簡單、可行的納米加工方法，由于其具有納米級的加工精度和只需要大氣的加工環(huán)境得到越來越多學者的關(guān)注。然而，應(yīng)用這種加工技術(shù)對樣品進行納米級材料去除機理還不明確，加工結(jié)構(gòu)的深度還不能精確控制，并且加工跨尺度微納結(jié)構(gòu)的工藝方法還有待研究。因此，本文采用分子動力學仿真分析、載荷與加工深度之間的理論模型建立以及基于AFM 納米機械加工實驗方法，開展了基于 AFM 納米機械加工過程中材料去除機理、加工深度可控的微納米結(jié)構(gòu)以及加工跨尺度微納結(jié)構(gòu)新工藝方法等相關(guān)問題的研究。本文完成的主要研究工作如下：1. 建立了恒力模式下的分子動力學仿真模型，通過分子動力學的理論方法得出在恒力模式下多次刻劃單晶銅材料時材料去除規(guī)律。發(fā)現(xiàn)多次刻劃中材料的塑性變形是由前一次刻劃中存在的位錯移動所導致的，并且得到了多次刻劃中樣品材料刻劃后樣品內(nèi)部可能產(chǎn)生了硬化現(xiàn)象的結(jié)論，為后續(xù)的刻劃實驗提供一定的理論基礎(chǔ)。同時發(fā)現(xiàn)所刻劃溝槽兩側(cè)的材料堆積對材料的晶向有很大的依賴性，利用三棱錐探針刻劃時，對于在(100)和(110)單晶銅晶面上得到的溝槽其材料堆積均集中在溝槽的左側(cè)，而在(111)單晶銅晶面上得到溝槽的材料堆積均勻的分布在溝槽兩側(cè)，并且通過刻劃實驗對所得結(jié)論進行了驗證。

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參考文獻（略）

本文編號：356831