基于工件施振的纳米陶瓷超声ELID复合平面磨削氧化膜特性研究

基于超声振动磨削与ELID磨削加工机理,在精密平面磨床上构建超声施加于工件上时的超声ELID复合平面磨削系统试验平台.氧化膜的状态直接影响复合磨削的加工质量和效率,建立了氧化膜生成的理论模型,进而分别讨论了电解电流与氧化膜厚度、磨削力与氧化膜强度之间的紧密联系.这里采用信号表征磨削过程中砂轮外层氧化膜状态,以磨削力、电流分别表征氧化膜的强度、厚度状态,通过纳米陶瓷ELID磨削与超声ELID复合磨削试验,得出工件超声振动对ELID在线修整过程中氧化膜生成的厚度与强度影响很小,可以判定复合磨削过程中两种磨削方式为弱相关.     

SiC单晶片ELID超精密磨削氧化膜特性研究

SiC单晶片的材质既硬且脆,加工难度很大,通过ELID磨削技术超精密加工SiC单晶片是一种高效的加工方法,而氧化膜的特性是ELID磨削技术的关键.本文研究了ELID磨削中氧化膜的形成规律,基于电化学基本原理,建立了砂轮表面氧化膜形成过程的一般模型,并对电压、占空比等工艺参数对金属结合剂砂轮表面氧化膜形成特性的影响进行了研究.结果表明:氧化膜厚度和生长率随着电压和占空比的增加而增加,随后逐渐降低并趋于稳定.根据SiC单晶片硬脆性质,在超精密加工SiC单晶片时,开始阶段采用较高电压(120 V)和较高占空比(2/3),在稳定阶段采用较低电压(90 V)和较低占空比(1/4).     

基于RSM的氨浸渣浮选回收银试验研究

为了有效浮选回收某氧化铜氨浸渣中的银金属,通过4因素5水平CCD响应曲面设计(RSM),选取硫化钠、组合捕收剂、组合抑制剂和活化剂用量作为自变量,浮选银精矿银品位和回收率作为响应建立模型.响应曲面分析结果表明,一次项中,活化剂用量对银精矿品位和回收率影响均最显著;二次项中,组合捕收剂和组合抑制剂间的交互作用对银精矿品位作用最显著,硫化钠用量和乙二胺磷酸盐用量间的交互作用对银精矿的回收率作用显著.响应曲面法优化结果为:硫化钠用量930.04 g/t、组合捕收剂用量416.63 g/t、组合抑制剂用量301.85 g/t、磷酸乙二胺用量为105.90 g/t,在该条件下,可获得的银精矿最大回收率为87.66;,对应的品位为877.042 g/t,同时通过试验验证.在优化结果基础上进行了三次粗选一次扫选两次精选闭路试验,试验结果较之前试验相比,回收率提高了将近2个百分点,表明响应曲面法优化取得了较好的效果.     

基于RSM的单晶Si高速线锯切割力试验研究

采用Box-Behnken Design (BBD)设计实验,研究高速线锯切割过程中线锯速度、进给速度和工件转速三个工艺参数对单晶Si切割力的影响,通过曲面响应法(Response surface methodology,RSM)建立单晶Si片切割力的响应模型,并进行方差分析,获得了高速线锯切割单晶Si过程中不同工艺参数对切割力的影响规律和切割力最小时的工艺参数.试验结果表明该模型能实现单晶Si切割过程的切割力预测.     

浮选试验中灰色理论的应用研究

为了探讨灰色理论模型应用于矿物浮选试验中的可行性,首先利用响应曲面法针对孔雀石浮选条件进行试验设计,选取硫化钠、异戊基黄药和硫酸铵三种药剂的用量为自变量,浮选回收率为因变量,采用CCD设计方案进行建模.结果表明,显著性大小由高到低依次为:异戊基黄药用量、硫酸铵用量、硫化钠用量.再在响应曲面法的数据基础上建立灰色理论模型,选取硫化钠、异戊基黄药、硫酸铵三种药剂用量为比较序列,孔雀石浮选回收率为参考序列进行关联度分析,分析结果表明,三种药剂用量同浮选回收率的关联度大小排序与响应曲面法分析显著性结果排序相一致.表明灰色理论模型可用于浮选试验结果分析是可以借鉴的.     

基于RSM和RA-BPNN的锌窑渣中铜浮选试验优化

云南某地锌窑渣矿样,原矿为高碱性矿石,矿石含铜1.38;,氧化率为30.12;.以磨矿细度、戊基黄药用量、碳酸钠用量、硫酸铜用量和硫化钠用量作自变量,以浮选回收率为因变量,分别建立了CCD响应曲面设计模型(RSM)和基于回归分析-BP神经网络(RA-BPNN)的浮选预测优化模型.根据两种模型的优化能力、优化精度进行分析和对比,结果表明,基于RA-BPNN模型进行预测及试验验证,铜回收率达到了64.06;,误差为0.74;,浮选回收率较RSM模型提高了1.54个百分点,且误差明显小于RSM模型,这表明RA-BPNN模型的优化能力高于RSM.根据试验结果,确定了锌窑渣浮选回收铜的最佳浮选条件为:磨矿细度90;、戊基黄药用量370 g/t、碳酸钠用量720 g/t、硫酸铜用量1080 g/t、硫化钠用量870 g/t.通过"一次粗选、三次精选、两次扫选、中矿顺序返回"的闭路浮选工艺流程,获得了品位为6.58;,回收率为55.98;的铜精矿.     

固结金刚石研磨盘加工蓝宝石基片的磨削性能研究

通过蓝宝石基片磨削试验研究了陶瓷结合剂、树脂结合剂和陶瓷树脂复合结合剂制备的固结金刚石研磨盘磨削工件的材料去除率、表面粗糙度和磨盘自锐性能,确定了磨削性能最佳的金刚石研磨盘结合剂,在此基础上,进一步研究了W40、W20、W7和W2.5金刚石研磨盘磨削蓝宝石基片的材料去除率、表面粗糙度、表面/亚表面损伤及其材料去除机理,提出依次采用W40金刚石研磨盘粗磨、W7金刚石研磨盘半精磨和W2.5金刚石研磨盘精磨的蓝宝石基片高效低损伤磨削新工艺.结果表明,陶瓷树脂复合结合剂制备的固结金刚石研磨盘磨削蓝宝石基片的综合性能最好,随着磨料粒径的减小,磨削蓝宝石基片的表面材料去除方式从脆性断裂去除向塑性流动去除转变,同时蓝宝石基片的材料去除率、表面粗糙度和亚表面损伤深度也随之减小.     

HIPSN陶瓷磨削力与温度的实验研究

为了研究磨削参数对热等静压氮化硅陶瓷磨削温度与磨削力的影响以及磨削温度和磨削力与表面形成之间的关系.通过正交实验得出磨削参数与磨削温度、磨削力以及比磨削能的关系,而后得出比磨削能与表面成形的关系.当砂轮速度由30 m/s增大到45 m/s,法向磨削力由241.4 N减小到185.3 N,切向磨削力由83.5 N减小到58 N,磨削温度由268℃增加到370.5℃,比磨削能由179.14 J/mm-3增加到238.88 J/mm-3,表面质量变好.磨削深度由5μm增加到35μm,法向磨削力由178.15 N增加到274.6 N,切向磨削力由40.88 N增加到115 N,磨削温度由77.75℃增加到593℃;比磨削能由335.74 J/mm-3减小到100.72 J/mm-3,表面质量变差.工件进给速度由1000 mm/min增大到7000 mm/min,法向磨削力由185.13 N增加到256.05 N,切向磨削力由47.48 N增加到91.08 N,磨削温度先由352.25℃减小到308℃,后增加到325.75℃,比磨削能由376.2 J/mm-3减小到94.98 J/mm-3,表面质量变差.当比磨削能较大时,表面以塑性变形的方式去除,比磨削能较小时,表面以脆性断裂的方式去除.在陶瓷磨削加工中尽可能选择小切深和较缓的工件进给速度,并适当提高砂轮线速度.     

工程陶瓷三维周向包封预应力磨削技术研究

采用金属三维周向包封待磨削陶瓷工件,推导了周向包封技术预加压应力、阻止裂纹系统向材料纵深与边缘扩展的作用机理,建立了三维周向包封磨削加工应力与应变叠加模型,认为周向包封对工件的压应力超过磨削产生的拉应力时,磨削工件表层形成残余压应力.开展了三种陶瓷材料的三维周向包封磨削实验,发现周向包封磨削工件未出现表面损伤和边缘缺陷,改变磨削用量和砂轮参数,测量工件断裂强度以及平行磨削方向与垂直磨削方向的残余应力.结果表明,周向包封技术使Si3N4陶瓷磨削强度提高13.2～48.9 MPa,大切深加工提升幅度可达262.7 MPa;两个测量方向上周向包封工件表面残余应力为压应力,说明提出的应力叠加模型是正确的.     

工程陶瓷专用磨削液抗堵塞添加剂分子结构设计及其验证

根据有机化学基本原理以及课题组前期总结有机物分子结构与砂轮堵塞间的交互规律,讨论并确立了陶瓷专用磨削液最佳抗堵塞添加剂应具备的分子结构特征.依据该特征设计并选择了月桂酸钠和硬脂酸钾这两种优化添加剂进行试验和验证.试验结果表明:在非极性氮化硅陶瓷磨削过程中,月桂酸钠应用效果最佳,完全抑制砂轮堵塞现象的发生.在极性陶瓷氧化铝磨削过程中,两种试剂也可以起到明显的抗堵塞效果,但抗堵塞能力相对较差.在此基础上,文章讨论了有机物在陶瓷表面的吸附形式与抗堵塞特性之间的交互关系.     

A study on the electrolytic in-process dressing (ELID) for silica glass in a ductile mode

It is important to develop a new grinding technique with higher efficiency for hard and brittle materials. As a requirement of optical transmission, the electrolytic in-process dressing (ELID) is used to manufacture high quality silica glass with ultra-precision. This technology has many virtues, such as high efficiency and high precision. Atomic force microscope results have been used to optimize grinding parameters and achieve a ductile mode during the manufacturing process. With a low feed rate and an appropriate speed, silica glass surfaces with a good quality have been obtained.     

大尺寸单晶金刚石磨抛一体化加工研究

金刚石因其优异的物理性质被视为下一代半导体材料,然而其极高的硬度、脆性和耐腐蚀性导致其加工困难,尤其是对于大尺寸的化学气相沉积(chemical vapor deposition, CVD)单晶金刚石(SCD)晶片而言,目前还缺乏一种高效、低成本的磨抛加工方法。本文提出一种基于工件自旋转的同心双砂轮磨抛一体化加工技术,在一次装夹中,先采用金刚石磨料的陶瓷内圈砂轮磨削单晶金刚石晶片表面,将单晶金刚石表面迅速平坦化,后采用金刚石与CuO混合磨料的外圈溶胶-凝胶(sol-gel,SG)抛光轮抛光单晶金刚石晶片表面,使其在较短时间内完成从原始生长面(Sa约46 nm)到原子级表面精度(Sa＜0.3 nm)的加工。磨削加工中,硬质金刚石磨料的陶瓷砂轮高速划擦金刚石晶片表面,在强机械作用下获得较大的材料去除以及纳米级的光滑单晶金刚石表面,同时引起进一步的表面非晶化;SG抛光加工中,硬质金刚石磨料高速划擦单晶金刚石表面形成高温高压环境,进一步诱导CuO粉末与单晶金刚石表面的非晶碳发生氧化还原反应,实现反应抛光。磨抛一体化的加工技术为晶圆级的单晶、多晶金刚石的工业化生产提供借鉴。     

往复式电镀金刚石线锯切割单晶硅片特性研究

通过往复式电镀金刚石线锯切割单晶硅片实验,分析了切片表面的微观形貌特点,研究了锯丝速度与进给速度对硅片的表面粗糙度、总厚度偏差(TTV)、翘曲度与亚表面损伤层厚度(SSD)的影响规律.结果表明:线锯锯切时材料以脆性模式去除,锯切表面的微观形貌呈现部分沟槽与断续划痕,并存在大量凹坑;锯丝速度增大,进给速度减小,表面粗糙度与SSD减小;锯丝速度增大,进给速度增大,硅片的翘曲度也随之增大;硅片TTV值与锯丝速度和进给速度的匹配关系相关.     

基于单磨粒微米划刻的单晶硅精密切削机理研究

为了探究硅片器件精密磨削加工的切削特征与机理,运用三棱锥形状的金刚石磨粒以不同加载压力划刻单晶硅材料表面模拟磨削加工过程,分析了划痕形貌特征、切削力与切削深度的演变规律,阐释了单晶硅的微米级切削加工机理。单晶硅微破碎去除发生的临界条件为法向切削力80 mN,临界切削深度2.03 μm;剥落去除发生的临界条件为法向切削力800 mN,切削深度5.65 μm。切削深度、切削力比在不同切削机理条件下具备可区分的差异化特征。平均切削深度随加载压力的变化规律呈现出鲜明的自相似性特征。此外,还分别构建了塑性去除、微破碎去除、剥落去除三个阶段的切削力方程,更准确地描述了切削力与切削深度的密切关系。     

Sub-surface mechanical damage distributions during grinding of fused silica

The distribution and characteristics of surface cracking (i.e., sub-surface damage or SSD) formed during standard grinding processes have been measured on fused silica glass using a surface taper polishing technique. The measured SSD depth distributions are described by a single exponential followed by an asymptotic cutoff in depth. The observed surface cracks are characterized as near-surface lateral and deeper trailing indent type fractures (i.e., chatter marks). The length of the trailing indent is strongly correlated with a given grinding process. It is shown that only a small fraction of the abrasive particles are being mechanically loaded and causing fracture, and most likely it is the larger particles in the abrasive particle size distribution that bear the higher loads. The SSD depth increased with load and with a small amount of larger contaminant particles. Using a simple brittle fracture model for grinding, the SSD depth distribution has been related to the SSD length distribution to gain insight into ‘effective’ size distribution of particles participating in the fracture. Both the average crack length and the surface roughness were found to scale linearly with the maximum SSD depth. These relationships can serve as useful rules-of-thumb for non-destructively estimating SSD depth and for identifying the process that caused the SSD.     

β-Ga2O3晶体金刚石线锯切割的表面质量研究

本文探究了往复式金刚石线锯的工艺参数对β-Ga₂O₃单晶沿(001)晶面切片时表面质量的影响,从压痕断裂力学理论角度探究了金刚石线锯切割β-Ga₂O₃单晶过程中磨粒行为和材料去除机理。实验从各向异性角度分析了切割方向对(001)面β-Ga₂O₃单晶切割片表面质量的影响,并采用SEM和SJ-210粗糙度测试仪探究了工艺参数对金刚石线锯切割后的晶片表面质量的影响。实验结果表明,增大锯丝速度或减小材料进给速度都能降低亚表面损伤层深度及表面粗糙度,有效改善晶片表面质量。     

快速响应高压电源在KTP晶体极化反转中的应用研究

分析了KTP晶体电导率的特性,设计与研制出一种新型的高压脉冲放大器,可将任意信号发生器产生的信号线性放大,响应速度快,最高输出电压为4000V,最大输出电流为30mA,功率可达100W.用其在KTP晶体上进行多次极化反转实验,取得良好的实验结果.     

New observations on scratch deformations of soda lime silica glass

In spite of the wealth of literature, the role of the scratching speed in affecting the material removal mechanism in soda lime silica (SLS) glass is yet to be comprehensively understood. Here we report the surface and sub‐surface deformation mechanisms of SLS glass scratched under three different normal loads of 5, 10 and 15 N at various speeds in the range of 100–1000 μm/s with a diamond indenter of ~ 200 μm tip radius. The results show that at any given applied normal load, the width, depth, wear volume of the scratch grooves and wear rate of the SLS glass decreased with an inverse power law dependence on the applied scratching speed. The surface damage also reduced with the increase in scratching speed. A new, simple model was developed to explain these observations. The significant contributions of the time of contact, the tensile stress behind the indenter and the shear stress active just underneath the indenter in governing the material removal mechanisms of the SLS glass were discussed.     

Yb2 O3含量对ZTA陶瓷相组成、微观结构及力学性能的影响

采用阿基米德排水法、三点弯曲法、单边切口梁法、扫描电子显微镜( SEM)及X射线衍射( XRD)分析手段和设备,研究了不同含量的Yb2 O3对ZTA的相组成、微观结构及力学性能影响,并对烧结后陶瓷样品的密度、力学性能、微观组织结构及相组成进行了研究。研究结果表明：在不添加Yb2 O3时,ZTA的断裂韧性、抗弯强度及硬度均为最大值,分别为7.42 MPa·m1/2、623.10 MPa、1919.60 HV。添加Yb2 O3后,ZTA陶瓷的力学性能及相组成均发生变化,t-ZrO2相变成c-ZrO2相,并且出现新的 Yb3 Al5 O12相。力学性能均有所降低,其中断裂韧性与没有添加Yb2 O3相比,减小了30.7;。     

Investigation of the photovoltaic performance of the polycrystalline silicon p–n junction by a photothermal measurement

For establishing a new methodology for evaluating an effect of the grain boundaries, both the piezoelectric photo-thermal (PPT) and the surface photo-voltage (SPV) measurements of polycrystalline Si p–n junction samples with different volume fractions of grain boundaries were carried out. We could define the signal intensity ratio of SPV/PPT as the key indicator of photovoltaic performance. This is because the PPT signal implies the phonon emitting carrier loss, whereas the SPV denotes the photo-excited carrier accumulation at the surface and the junction interface. It was found that the SPV/PPT ratio and solar cell efficiency decreased with increasing volume fraction of the grain boundaries. Present experimental results demonstrated that one can directly estimate the photovoltaic performance of in-process polycrystalline Si p–n junction wafer by adopting the combination of the PPT and the SPV methodologies without electrodes. Since the PPT detects the non-radiative recombination process, present methodology and the laser-beam-induced current and the photoluminescence imaging methods are complementary. By complementary use of these methods, it becomes possible to investigate the characteristic of grain boundary.