[00883603]陶瓷等脆性材料加工过程离散元模拟研究

以陶瓷、单晶硅等为代表的脆性材料在微电子、光学等领域的应用越来越重要，磨削和化学机械抛光（CMP)加工工艺是脆性材料加工的主要方法，但由于其过程的复杂性，这些工艺还是一种“手艺”，远没有达到制造科学的水平。所以脆性材料的加工技术及产品质量成为制约其应用和相关行业发展的重要瓶颈，迫切需要开展针对脆性材料加工的制造工艺基础研究，发展新的制造技术。该项目成果得到了下列2项国家自然科学基金项目的资助。基于离散元法的润滑界面磨粒固液耦合运动与磨损研究，50675185,2007-2009,32万元。基于离散元模拟和实验的陶瓷材料预应力磨削加工机理及技术研究，50875224, 2009～2012年，40万元。根据陶瓷等脆性材料的力学性能特点，以压痕断裂力学、弹塑性力学为理论基础，采用离散元数值模拟和陶瓷加工损伤的观测实验相结合的方法，研究了工程陶瓷材料加工中材料的去除机理，以及残余应力及微裂纹等的分布情况，探求了裂纹扩展机制及其对陶瓷器件性能的影响。成功解释了陶瓷加工过程中非弹性区域的存在，并且提出了一种分析评价裂纹及非弹性区域大小的方法：提出了陶瓷材料的预压应力磨削方法，该项新工艺获国家发明专利授权；分析了不同预应力下，陶瓷材料加工中残余应力与裂纹之间、裂纹与裂纹之间的关系，建立了陶瓷材料力学性能－工艺参数－损伤模型之间的关系，解决了预应力磨削中陶瓷加工损伤控制的工艺参数匹配问题，发展了基于预应力控制的高效率、低损伤的陶瓷材料加工新工艺。化学机械抛光工艺是陶瓷、单晶硅等脆性材料精密加工的重要工艺，但由于涉及复杂的固液两相流，对加工界面的运动状态一直缺乏深入认识，阻碍了工艺的进步及推广。项目采用离散元法描述抛光介质中颗粒的运动，采用计算流体力学方法描述抛光液的流动，并通过磨粒-流体相互作用项将两者耦合起来,研究抛光界面两相流中磨粒一磨粒间、磨粒－抛光液间、磨粒－抛光液面间以及抛光液－抛光液面间的各种相互作用。结合SEM、AFM等表面分析技术阐释其表面创成机理，并建立材料去除量计算模型，探索抛光界面磨粒固液耦合运动与材料去除的关系，在材料的去除、工艺条件及材料本身的物理、机械和化学性能间建立科学的数学关系，发展了基于颗粒运动特性控制的CMP技术。该项目研究共发表论文27篇，其中SCI收录论文8篇，EI收录论文14篇，在国际学术会议上口头报告10余次，论文被美国、法国、英国等研究人员引用20余次，获国家发明专利授权1项。培养博士研究生3人，硕士研究生7人。