發(fā)布時(shí)間：2017-05-11 08:26

第 1 章 緒 論

當(dāng)前開展新型微納米制造技術(shù)的研究是制造科學(xué)與技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)與前沿。現(xiàn)有的微納米加工技術(shù)存在許多缺點(diǎn)，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(dá)到大范圍納米精度、LIGA 技術(shù)難于實(shí)現(xiàn)三維浮雕結(jié)構(gòu)加工、車削加工時(shí)多軸高精度聯(lián)動(dòng)控制和微小刀具制作較難、微細(xì)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(jiǎn)單的實(shí)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(xué)意義�；�于原子力顯微鏡（AFM）的納米機(jī)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(shí)現(xiàn)了微米尺度、納米精度復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的加工。實(shí)際上，AFM 系統(tǒng)是由一個(gè)很軟的彈性微懸臂帶動(dòng)針尖運(yùn)動(dòng)實(shí)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(dòng)力學(xué)仿真分析方法是研究納米級(jí)材料去除機(jī)理的有效手段，目前分子動(dòng)力學(xué)仿真研究主要集中在給定加工深度時(shí)不同加工參數(shù)如探針幾何形狀、刻劃軌跡、進(jìn)給量、切削形式以及加工深度等對(duì)切削力、溝槽形貌以及加工過(guò)程中產(chǎn)生位錯(cuò)的影響87-89]。而采用恒力模式下 AFM 納米機(jī)械加工方面的分子動(dòng)力學(xué)仿真研究還未見相關(guān)報(bào)道，對(duì)于在恒力模式下刻劃單條溝槽后產(chǎn)生的材料位錯(cuò)對(duì)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^(guò)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(guò)分子動(dòng)力學(xué)仿真的方法研究這些問(wèn)題，并通過(guò)在典型單晶金屬材料單晶銅表面上進(jìn)行單線溝槽刻劃實(shí)驗(yàn)對(duì)其驗(yàn)證。此外，在 AFM 探針機(jī)械刻劃實(shí)驗(yàn)中，所用的 AFM 探針的形狀通常為非回轉(zhuǎn)對(duì)稱，且 AFM 探針微懸臂的剛度系數(shù)值有一定范圍，不是無(wú)限大，在刻劃過(guò)程中探針微懸臂會(huì)產(chǎn)生彈性變形。因此，在恒力模式下不同刻劃方向會(huì)對(duì)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(jìn)一步導(dǎo)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(jìn)行加工實(shí)驗(yàn)，詳細(xì)地分析和討論在采用 AFM 機(jī)械刻劃過(guò)程中刻劃方向和進(jìn)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(jī)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(jìn)給方向。

2.2 基于 AFM 微探針納米機(jī)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(jī)械加工過(guò)程中將 AFM探針看成為一個(gè)微小的刀具對(duì)樣品表面進(jìn)行刻劃，通常在接觸模式下實(shí)現(xiàn)加工。AFM 探針施加在樣品上恒定的垂直載荷(FN)是通過(guò)調(diào)節(jié) AFM 掃描陶管豎直方向的位移使刻劃過(guò)程中探針微懸臂變形量保持不變來(lái)實(shí)現(xiàn)的。AFM 探針在樣品表面上施加一個(gè)相對(duì)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(shí)現(xiàn)樣品材料的去除，如圖 2-1(b)所示，去除的材料會(huì)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(yù)期加工深度的微納結(jié)構(gòu)，需要在加工之前確定對(duì)應(yīng)的垂直載荷 FN。

第 3 章 基于 AFM 納米機(jī)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(jī)械加工載荷與深度關(guān)系實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)研究 .......69
4.3 聚合物納米加工過(guò)程中彈性回復(fù)的檢測(cè)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(shí)驗(yàn)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(yùn)動(dòng)的加工工藝參數(shù)對(duì)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(shí)驗(yàn) ..........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(guó)家開展慣性約束聚變實(shí)驗(yàn)用于解決未來(lái)的能源危機(jī)，在慣性約束實(shí)驗(yàn)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(huì)導(dǎo)致瑞利−泰勒流體力學(xué)不穩(wěn)定性的發(fā)生，從而使慣性約束聚變實(shí)驗(yàn)失敗。然而微球表面的缺陷是隨機(jī)的，為了研究瑞利−泰勒流體力學(xué)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(xué)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(xué)者利用激光加工的方法在微球表面隨機(jī)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(xué)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(jī)。同時(shí)，，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(fù)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(jī)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(jī)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(guò)幾種探針與微球表面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)微納結(jié)構(gòu)的加工，包括軸系以 n 為轉(zhuǎn)速進(jìn)行的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，探針在掃描陶管帶動(dòng)下做的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(shí)際比例作圖。
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結(jié) 論

基于 AFM 納米機(jī)械加工技術(shù)是一種簡(jiǎn)單、可行的納米加工方法，由于其具有納米級(jí)的加工精度和只需要大氣的加工環(huán)境得到越來(lái)越多學(xué)者的關(guān)注。然而，應(yīng)用這種加工技術(shù)對(duì)樣品進(jìn)行納米級(jí)材料去除機(jī)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(dòng)力學(xué)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(jī)械加工實(shí)驗(yàn)方法，開展了基于 AFM 納米機(jī)械加工過(guò)程中材料去除機(jī)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(wèn)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(dòng)力學(xué)仿真模型，通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)的理論方法得出在恒力模式下多次刻劃單晶銅材料時(shí)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(cuò)移動(dòng)所導(dǎo)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(shí)驗(yàn)提供一定的理論基礎(chǔ)。同時(shí)發(fā)現(xiàn)所刻劃溝槽兩側(cè)的材料堆積對(duì)材料的晶向有很大的依賴性，利用三棱錐探針刻劃時(shí)，對(duì)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(guò)刻劃實(shí)驗(yàn)對(duì)所得結(jié)論進(jìn)行了驗(yàn)證。

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參考文獻(xiàn)（略）

本文編號(hào)：356831