金刚石与磨料磨具工程

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热丝化学气相沉积法制备单晶金刚石的试验研究

张川, 刘栋栋, 陆明, 孙方宏

2024, 44(3): 279-285. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0101

摘要(477)

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PDF 3465KB(90)

摘要:
热丝化学气相沉积法沉积区域可达12英寸(30.48 cm)，其具备大批量生产单晶金刚石的潜力。采用尺寸为3 mm×3 mm×1 mm，(100)取向的单晶金刚石为基体，利用热丝化学气相沉积法以甲烷和氢气为前驱体，同时通入少量氮气进行同质外延生长。结果表明，在热丝温度为2200 ℃、碳源浓度为4%、腔体气压为4 kPa的条件下，单晶金刚石以3.41 μm/h的速度生长，表面无多晶、破口、孔洞等缺陷；外延层X射线衍射光谱在(400)面处峰值的半高宽为0.11°，低于基体的半高宽0.16°，证明外延层具有较高的晶体质量；氮气的引入可以提升单晶金刚石的生长速度，同时降低外延层的晶体质量，较高的氮气浓度还会使得单晶金刚石的生长模式转为岛状生长。

金刚石基材料及其表面微通道制备技术在高效散热中的应用

邓世博, 夏永琪, 吴明涛, 岳晓斌, 雷大江

2024, 44(3): 286-296. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0132

摘要(730)

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PDF 3951KB(92)

摘要:
随着第三代半导体材料的兴起，电子器件逐渐向着高功率、小型化、集成化方向发展。传统散热技术已难以满足第三代半导体器件高热流的散热要求，由此带来的温度堆积问题成为器件失效的主要原因。金刚石基材料具有优异的散热性能，基于此材料的高效散热技术有望解决高热流散热难题。总结了金刚石基材料的发展及其表面微通道制备的主要方法，综述了金刚石基材料在高效散热领域中的应用和未来的发展方向。金刚石基材料高效散热技术的发展及应用能够为高热流密度散热难题的解决提供技术支撑。

激光选区熔化成形金刚石复合材料特征几何结构的工艺约束研究

谢志平, 何艺强, 徐仰立, 黄国钦, 魏金权

2024, 44(3): 297-303. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0171

摘要(473)

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PDF 3776KB(42)

摘要:
多孔金刚石磨具是一种能在磨削加工过程中提供容屑和冷却液流通空间的新型工具，激光选区熔化（selective laser melting，SLM）成形技术是制造多孔金刚石磨具的有效手段。受激光增材制造的光斑尺寸约束、逐层成形等技术特征的影响，所设计的多孔金刚石磨具难以精准成形，因此有必要对金刚石复合材料特征几何结构的可成形性进行研究。基于SLM125HL设备，以CuSn20/金刚石复合材料为研究对象，采用SLM成形技术成形了不同成形方向、不同尺寸的悬垂结构、薄壁、圆孔和尖角等特征几何结构，并对其可成形性、成形误差及产生原因进行分析。结果表明：金刚石复合材料悬垂结构的最佳可成形尺寸为1.00～2.00 mm，薄壁结构的最小可成形尺寸为0.70 mm；垂直于成形方向的圆孔结构的最小可成形直径尺寸为0.50 mm，平行于成形方向的圆孔结构的最佳成形直径尺寸为1.00～4.00 mm；尖角结构的可成形角度需＞10°。这些特征几何结构的成形误差主要受激光对复合粉末的热吸附、激光光斑热影响区扩散以及复合粉末的弱支撑等作用影响。

金刚石颗粒表面镍镀层化学改性研究

邹余耀, 田晓庆, 高传平, 韩国志

2024, 44(3): 304-308. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2024.0007

摘要(312)

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摘要:
为消除金刚线生产过程中分散剂对工艺的负面影响，探索新的金刚线镀镍工艺。首先，使用H₂O₂对镀镍金刚石颗粒表面进行羟基化；然后，将其同二甲基十八烷基[3-（三甲氧基硅）丙基]氯化铵进行反应，制备表面带正电的金刚石颗粒；最后，对金刚线的制备工艺进行优化。研究结果表明：反应后金刚石颗粒的表面电位从−7.50 mV转变至14.10 mV以上，最高可达30.68 mV。其最佳制备条件为原砂与H₂O₂的质量比为2∶1，处理时间为1 h；金刚石颗粒与季铵盐的质量比为1∶2，处理时间为4 h。在电镀过程中，经表面化学修饰的金刚石颗粒能够在没有分散剂的条件下，均匀地向阴极迁移，其上砂量增多20%以上。

Si调控Cu-20Sn-15Ti钎料显微组织与性能的演变行为

张黎燕, 杜全斌, 毛望军, 崔冰, 李昂, 王蕾, 纠永涛, 梁杰

2024, 44(3): 309-318. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0176

摘要(237)

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PDF 6541KB(25)

摘要:
为通过成分调控改善Cu-Sn-Ti钎料的显微组织及性能，采用扫描电子显微镜、X射线衍射仪及EDS能谱分析等设备，研究了Si对Cu-20Sn-15Ti钎料显微组织与性能的影响规律。结果表明：Cu-20Sn-15Ti钎料的显微组织为大尺寸多边形状CuSn₃Ti₅相、共晶组织和α-Cu相。添加少量的Si（质量分数≤2.0%）可细化钎料中多边形状CuSn₃Ti₅相，并生成小尺寸Si₃Ti₅相，较多的Si（质量分数≥3.0%）会造成多边形状CuSn₃Ti₅相分化离散、共晶组织粗化减少，Si₃Ti₅相含量增加且粗化，当Si含量增至5.0%时，钎料不再生成多边形状CuSn₃Ti₅相和共晶组织，Ti主要用于生成Ti₅Si₃相，显微组织主要为Ti₅Si₃相、α-Cu相、Cu₄₁Sn₁₁相和少量条状CuSn₃Ti₅相；与Cu、Sn相比，Si与Ti具有更强的化学亲和力，Si优先与Ti反应生成Ti₅Si₃相；Ti₅Si₃相的三维组织形貌为棱柱状，且呈团聚附生特征，粗条状Ti₅Si₃相具有中心或侧面孔洞缺陷，孔洞的形成主要与其生长机制有关；随着Si含量的增加，钎料的剪切强度呈“升高-降低-升高”的趋势，断口形貌由准解理断裂和解理断裂的混合形态向解理断裂转变；CuSn₃Ti₅相易破碎开裂成为起裂源，不同粗大状态CuSn₃Ti₅相的存在均在一定程度上恶化钎料剪切强度。

纳米划擦速度对单晶硅去除行为的影响

田海兰, 闫少华, 孙真真, 王浩昌, 闫海鹏

2024, 44(3): 319-326. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0124

摘要(493)

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PDF 4005KB(26)

摘要:
单晶硅作为典型的硬脆材料在不同的划擦速度下会有不同的应变率，进而产生不同的材料去除行为，采用分子动力学从应变率角度研究不同划擦速度下材料的变形与去除过程。结果表明：划擦过程中随划擦速度由25 m/s增加到250 m/s，单晶硅的应变率从1.25 × 10¹⁰ s⁻¹提高至1.25 × 10¹¹ s⁻¹，其划擦力、剪切应力和摩擦系数减小，划擦温度升高，且划擦表面的轮廓精度和粗糙度随划擦速度的增大而改善。划擦过程中的非晶化和相变是单晶硅纳米尺度变形的主要发生机制，剪切应力减小造成其亚表面损伤层深度由2.24 nm减小到1.89 nm，划擦温度升高导致其表面非晶层深度增加。

基于单颗金刚石划擦的单向C_f/SiC复合材料去除机理

温家宙, 王庆霞, 余爱武, 吴重军

2024, 44(3): 327-334. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0104

摘要(262)

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PDF 3743KB(35)

摘要:
为研究单向C_f/SiC复合材料划擦去除机理，采用单颗金刚石磨粒开展准静态划擦试验，分析不同压痕载荷下划擦材料的声发射信号变化，结合SEM形貌分析材料的去除行为和划擦去除机理。试验结果表明：声发射信号强度随着压痕载荷增加而增强，相同参数下SB方向信号值更大，信号波动更剧烈。结合声发射信号与SEM形貌分析，得出材料在不同方向的划擦去除行为，材料以脆性去除为主，SA方向纤维以拉伸断裂和纤维拔出为主，SB方向纤维主要断裂方式为弯曲断裂和剪切断裂。根据SEM形貌分析，阐述去除行为的形成过程，即解释材料划擦去除机理。

单颗金刚石磨粒划擦2D SiC_f/SiC复合材料实验

王优哲, 刘瑶, 周扬, 李家豪, 黎瀚森

2024, 44(3): 335-345. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0275

摘要(263)

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PDF 4441KB(25)

摘要:
为了揭示2D SiC_f/SiC复合材料的磨削去除机理，根据2D SiC_f/SiC复合材料的编织结构特点，分别在2D SiC_f/SiC纤维的编织表面（woven surface, WS）和叠加表面（stacking surface, SS）沿0°、45°和90°方向开展单颗金刚石磨粒划擦实验，测量其划擦力和划痕深度，并观察划痕表面形貌。结果表明：在WS0（纤维编织表面的0°方向）上SiC_f/SiC材料的去除方式主要为纵向纤维（纤维轴向与进给速度方向一致）的剪切、拉伸、弯曲断裂和横向纤维（纤维轴向与进给速度方向垂直）的剪切、弯曲断裂；在WS45（纤维编织表面的45°方向）上主要为纤维的剪切、弯曲、拉伸断裂；在SS0（纤维叠加表面的0°方向）上主要为法向纤维（纤维轴向垂直于划擦表面）的延性去除、剪切、弯曲断裂，纵向纤维的剪切、拉伸、弯曲断裂；在SS90（纤维叠加表面的90°方向）上主要为法向纤维的延性去除、剪切、弯曲断裂和横向纤维的剪切、弯曲、拉伸断裂。由于SiC纤维的各向异性，不同方向、不同断裂形式有不同的力学性能，剪切断裂所需要的力最小，拉伸断裂所需要的力最大。在相同划擦深度下，因WS0、WS45、SS0、SS90方向上断裂形式的不同和剪切、弯曲、拉伸断裂所占的比例不同，其划擦力大小依次为F_SS0>F_WS45>F_SS90>F_WS0。且磨粒切入复合材料后随着裂纹的扩展和相互贯通，SiC基体会一起被剥离去除，部分基体受到挤压去除后再次被磨粒划擦去除形成延性划痕。2D SiC_f/SiC复合材料切削时宜选择WS0方向，而尽量避开SS0方向。

轴承表面Al₂O₃基陶瓷绝缘涂层的粗糙度预测

徐钰淳, 朱建辉, 师超钰, 王宁昌, 赵延军, 张高亮, 乔帅, 谷春青

2024, 44(3): 346-353. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023-0118

摘要(222)

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PDF 5412KB(22)

摘要:

为了提升轴承表面Al₂O₃基陶瓷绝缘涂层的粗糙度预测精度，提出基于光谱共焦原理的砂轮表面测量及磨粒特征参数量化方法，以砂轮表面的磨粒特征参数K，砂轮线速度v_s，工件进给速度f，切削深度a_p及法向磨削力F为输入参数，建立能够直接反映砂轮表面时变状态的工件表面粗糙度BP神经网络预测模型，并通过已知磨削样本及砂轮磨损后的4组未知样本对网络预测模型性能进行验证。结果表明：已知样本的BP网络模型粗糙度预测结果与实际结果的规律及数值较为一致，其网络输出误差均 < ± 0.04 μm；4组未知样本的网络预测精度下降，但其相对误差最大值的绝对值不超过20.00%。建立的包含砂轮表面磨粒特征参数的神经网络预测模型，可以适应砂轮磨粒磨损时变状态下的轴承表面Al₂O₃基陶瓷绝缘涂层的粗糙度预测，且其对未知样本具有一定的泛化能力。

ITO导电玻璃单颗磨粒切削机理仿真试验研究

邱晓龙, 孙兴伟, 刘寅, 杨赫然, 董祉序, 张维锋

2024, 44(3): 354-362. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0183

摘要(469)

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PDF 5484KB(19)

摘要:
为研究氧化铟锡（indium tin oxide，ITO）导电玻璃材料的去除机理，采用单磨粒对材料进行切削仿真，建立了ITO导电玻璃的材料模型，根据加工表面形貌、应力和切削力情况分析了材料去除机理，之后研究了切削参数对切削力和残余应力的影响，并与钠钙玻璃进行对比分析。结果表明：在磨粒的切削过程中，材料的去除受ITO薄膜层、玻璃基底和内聚力接触行为的共同影响，会产生分层、通道开裂和层间断裂等失效形式；随着磨粒的进给，切削力在一定范围内波动，且呈现上升、稳定、降低的变化，同时磨粒的切削力与切削速度和切削深度呈正相关；薄膜上残余应力相比玻璃基底，数值更大且波动更剧烈；当切削深度接近ITO薄膜厚度时，薄膜的存在对磨粒切削行为的影响显著。

基于GA-BP神经网络的微磨具磨损预测研究

田苗, 于康宁, 任莹晖, 佘程熙, 易峦

2024, 44(3): 363-373. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0074

摘要(236)

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PDF 5107KB(27)

摘要:
为提高硬脆材料微结构的加工效率和精度，需要预测微磨具的不确定性磨损。基于微磨具在位视觉磨损检测和聚类分析，提出基于遗传算法的反向神经网络（genetic algorithm back propagation，GA-BP）模型。选取微磨具磨头截面面积损失量为指标，以表征微磨具不确定性磨损特征。利用K-均值聚类算法划分微磨具磨损状态阶段。最后构建以主轴转速、进给率、微槽深度、磨削长度和微磨具初始截面面积为输入层神经元，以磨头截面面积损失量预测值为输出层的GA-BP神经网络模型。设计不同工艺参数条件下的单晶硅微槽微细磨削实验，基于自搭建的机器视觉系统在位测量微磨具的磨头截面面积磨损量。将实验测得的微磨具磨损量作为训练数据，与传统高斯过程回归预测模型对比，验证GA-BP神经网络模型的有效性和准确性。结果表明，GA-BP神经网络模型能够实现不同工艺参数和不同磨削长度下的微磨具磨损预测，比传统高斯过程回归预测模型具有更高预测精度，平均误差精度达到5%，可以实现微磨具磨损阶段状态预测。

叶脉仿生分形纹理化金刚石砂轮磨削氧化锆陶瓷试验评价

张晓红, 何田仲森, 温东东, 李超, 王卓然, 龙翼翔

2024, 44(3): 374-381. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0131

摘要(522)

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PDF 2794KB(16)

摘要:

针对氧化锆陶瓷在传统砂轮磨削过程中存在的磨削力大、加工质量较差等问题，根据叶脉分形结构在减阻导流与散热传质方面的优异性能，建立叶脉分形角模型，设计30.0°、45.0°和60.0° 3种不同分形角度的叶脉仿生分形纹理化金刚石砂轮，对比分析原始砂轮与3种仿生分形砂轮对氧化锆陶瓷磨削表面粗糙度R_a、磨削力和磨削力比的影响。结果表明：仿生分形砂轮比原始砂轮具有更好的磨削性能；与原始砂轮相比，仿生分形砂轮的法向磨削力降低了12.7%～55.8%，切向磨削力降低了8.1%～40.3%，且其对表面粗糙度R_a影响不明显；当分形角为30.0°时，获得的磨削力比最小值为1.4～3.0，表面粗糙度R_a最小值为1.824 μm。

基于分形理论的旋转超声磨削Si₃N₄陶瓷表面微观形貌

孙永国, 王伟, 李文知, 魏恒举, 魏士亮

2024, 44(3): 382-390. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0103

摘要(269)

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PDF 3558KB(29)

摘要:

为了研究旋转超声磨削Si₃N₄陶瓷表面的微观形貌，基于分形理论研究不同加工参数下Si₃N₄陶瓷表面微观形貌的变化。设计旋转超声磨削Si₃N₄陶瓷正交试验，对比分析不同加工参数对Si₃N₄陶瓷表面分形维数和多重分形谱的影响，并设计单因素试验研究不同加工参数下Si₃N₄陶瓷表面的粗糙度、分形维数和多重分形谱。结果表明：旋转超声磨削Si₃N₄陶瓷表面时，分形维数能更好地表征其加工表面的缺陷状态，多重分形谱则能更好地表征其加工表面缺陷的起伏程度变化。

微磨料气射流加工结构化拓扑鱼鳞表面的实验研究

智佳琦, 吕玉山, 李兴山, 陈超

2024, 44(3): 391-397. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0139

摘要(469)

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PDF 3548KB(20)

摘要:
为了在脆性难加工材料上制备结构化鱼鳞表面，首先提取了鱼鳞表面的拓扑特征，建立了鱼鳞单元的表面模型，并基于鱼鳞模型进行搭接，得到结构化鱼鳞表面；然后根据微磨料气射流加工原理，分析了气射流加工拓扑鱼鳞实验的可行性与影响结构化鱼鳞表面形貌的重要工艺参数；最后采用单因素实验法对重要加工参数进行实验分析，得到了较好的拓扑鱼鳞表面单元，并以此进行排布得到结构化表面。研究结果表明，微磨料气射流加工结构化拓扑鱼鳞表面较为合理的工艺参数组合是加工时间为10 s、气射流加工压力为0.5 MPa、靶距离为10 mm以及射流角度为30°，在此工艺条件下，鱼鳞表面的形态和尺寸可能会受到一定的影响，但鱼鳞表面的拓扑属性保持不变。

塔形组合式金刚石圆盘锯能耗建模及参数优化

郭安顺, 张进生, 张恒, 王凯达, 孙钰虎, 牛平平, 王一彩

2024, 44(3): 398-406. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0128

摘要(447)

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PDF 2090KB(15)

摘要:
为准确预测塔形组合式金刚石圆盘锯在荒料锯切过程中的功率，以组合锯切系统中单锯片的单磨粒平均未变形切屑厚度为媒介，建立了锯切功率的参数模型，并对其进行修正，提出一种少样本快速预测模型，通过锯切实验测量不同参数组合下的锯切功率，采用多元线性回归方法拟合数据以获取可靠的模型系数。最后以锯切参数为优化变量，以锯切比能和锯切时间最小为优化目标建立优化模型，并采用改进粒子群算法对模型进行优化求解。试验结果表明，参数模型充分解释了各锯切参数对锯切功率的影响，能够准确预测不同锯片组合方式下的锯切功率，改进的粒子群算法有较高的优化性能，使用优化后的参数能够显著降低锯切功率。

双层纳米孔的制造与应用

黄洁钰, 曾兆炜, 王成勇, 袁志山

2024, 44(3): 407-414. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0105

摘要(245)

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PDF 3322KB(16)

摘要:
由于具有孔径可调节、物理化学性质稳定、极端环境适应性强、集成度高等优点，固态纳米孔逐渐成为最具潜力的单分子测序工具。在固态纳米孔发展过程中，提高其单分子检测精度一直是研究人员关注的重点。近年来，双层纳米孔受到了广泛关注。与传统的单层纳米孔相比，双层纳米孔具有的孔-腔-孔结构提供了2个分子识别位点和纳米受限空间。双孔提供的2个分子识别位点可以在单次过孔事件中获得2次目标信号，所获得的双重检测信号不仅丰富了检测信息，也为信号分析提供了最为直接的对比信息源。此外，双层孔中的空腔还可作为单分子化学反应器。因此，双层纳米孔的出现拓宽了纳米孔传感器的应用范围，在单分子检测方面具有广阔的应用前景。本文概述了纳米孔的发展历程，并重点介绍了双层纳米孔的制造方法及其在单分子检测领域的应用。