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1、,汇报人： 小组成员： 指导老师：,硬脆材料的磨削特点,制造工程研究院,01,02,03,04,4.石材的磨削特点,2工程陶瓷磨削特点,3硅片磨削特点,1前言,目 录 Contents,制造工程研究院,一、前言,硬脆材料特点：硬度高，脆性大，断裂韧性低，材料的弹性极限和强度非常接近，其往往是非金属。 硬度高的材料通常都具有很高的脆性，这是因为越硬的材料在力的作用下越不容易发生变形，施加过大的能量容易引起材料的断裂。 脆性：材料受到外力达到一定程度后突然破坏，破坏时无明显的塑性变形的特征。,硬度：一种物质刻划另一种物体的难易程度。在1822年莫尔提出了测量硬度的常见矿物表： 10 钻石 9 金
2、8 水晶 7 石英 6 正长石 5 磷灰石 4 氟石 3 方解石 2 石膏石 1 滑石 硬脆性材料的物理机械性能与金属材料有较大的差异，加工时表面容易产生裂纹，表面破损等，因此展开对它的加工技术的研究具有重要的意义。,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,二.工程陶瓷的磨削,点击添加文本,4两个物理模型,3工程陶瓷的 磨削特点,点击添加文本,1工程陶瓷概述,6陶瓷磨削力特点,2典型的类型,5工程陶瓷磨削 材料去除方式,7工程陶瓷 ELID镜面磨削,8.蓝宝石的性能 及应用,制造工程研究院,2.1.工程陶瓷概述,工程陶瓷材料优点：高强度、高硬度、低密度、低膨胀系数、以及耐磨、隔
3、热等。 1. 成型工艺（多为热压、烧结）和晶体结构（离子键和共价键）决定了它具有高脆性、低断裂韧性以及弹性极限与强度非常接近的特点 2. 显微组织具有不均匀性和复杂性，这是因为热压、烧结过程中，各相的含量、分布不均匀，烧制成型后物理机械性能很难通过加工方法改变。,制造工程研究院,2.2典型的工程陶瓷类型,1.氧化铝（Al2O3）陶瓷 用量最大，用途最广，价格低廉，硬度高（97HRA），高温1200仍为80HRA，主要用来制作刀具，内燃机火花塞，密封环等。 2.氧化锆（ ZrO2）陶瓷 稳定ZrO2陶瓷的质量热容和热导率小，是理想的高温隔热材料，可以用做高温炉内衬和各种热涂层。 部分稳定ZrO2
4、陶瓷热膨胀系数比较大，比较容易与金属匹配，常在陶瓷发动机中用于制作汽缸内壁、活塞,3.氮化硅(Si2N3 ）陶瓷 有三个共有电子对Si-N键，有很高的弹性模量，高温力学性能稳定，摩擦系数低，可用做蜗轮转子、汽缸体和活塞及阀门等零件。 4.铁氧体材料 由铁离子、阳离子和其他金属离子组成的复合氧化物，分为软磁、硬磁、旋磁、矩磁、压磁铁氧体，硬度大、脆性大、气孔多、导热系数小，温度骤变易炸裂，主要用于通信等行业,制造工程研究院,2.3工程陶瓷的磨削特点,2.砂轮磨耗量大， 加工成本高,4.磨削生产率低,3.表面质量 不易控制,1.磨削力比很大、 磨削比小,工程陶瓷材料的硬度很高， 表现出了优良的耐磨
5、性和 抗力，其磨削法向力与切向 力之比Fn/Ft很大，约为 1040 。,工程陶瓷是靠脆性龟裂破坏 产生微细粉末状切屑而去除 的，粉末状切屑很容易磨损 磨具上的结合剂，导致磨粒 脱落，从而造成超硬磨料磨 具的磨耗严重,工程陶瓷对切削力和切削热都 十分敏感。在磨削过程中，磨 粒切入工件产生的压应力和摩 擦热会使磨粒下方的材料产生 局部塑性流动，在已加工表面 上形成变形层,由于工程陶瓷的韧性不足， 而且磨削抗力很大，使得磨 削加工层的厚度受到特定条 件的约束，加之优良的磨削 性，造成了工程陶瓷材料的 切削加工性很差，生产效率低。,制造工程研究院,（1）压痕断裂力学模型：通常认为工程陶瓷等硬脆材料在
6、机械加工和使用中产生的表面缺陷与压痕有着极强的相似性。 中央/径向裂纹通常会导致材料强度降低，横向裂纹引起材料的去除。,2.4磨削的两个物理模型,（2）磨粒切削加工模型：从陶瓷加工中产生的磨屑形态看，材料主要以脆性断裂的方式被去除，但脆性断裂所消耗的能量不足实测总磨削能的1%，而工件已磨削表面存在大量磨粒耕犁留下的纹路，纹路两侧有明显的塑性变形凸起和撕裂涂覆物。 该模型证实：虽然陶瓷材料去除由脆性断裂的实现，但磨削中能量主要消耗于耕犁中的塑性变形,制造工程研究院,脆性断裂去除,塑性变形去除,粉末化去除,2.5工程陶瓷磨削材料去除方式,当磨削多晶结构陶瓷时，材料 去除主要以脆性断裂方式完成。 在
7、磨削过程中，单个超硬磨粒 与陶瓷工件的接触会产生一 个含有分布状晶界微裂纹的损 伤区，此时材料的去除则是通 过单个颗粒从这些晶界微破碎 处的错位方式来完成。,精密磨削过程中，当磨削深 度在亚微米级时，碎裂和破 碎机理不会发生，此时主要 可能发生材料粉末化现象。,在一定的加工条件下，任何 脆性材料能够以塑性流动的 方式去除，压痕断裂力学模 型预测了产生横向裂纹的临 街载荷，在低于这一临界载 荷加工条件时，材料去除将 以塑性变形去除为主。,制造工程研究院,2.6 陶瓷磨削力特点,1.陶瓷磨削的法向力与中碳钢磨削法向力差不多 韧性较好的Si2N3 和ZrO2陶瓷的法向磨削力力与中碳钢相差不大，但脆性
8、大的陶瓷法向力低于中碳钢，这是因为陶瓷中的原始裂纹较多，属脆性断裂控制磨削过程，消耗的磨削功少。,2.陶瓷磨削力比Cf很大 显微塑性变形磨削比： 脆性断裂磨削比： 影响Al2O3陶瓷磨削力比最显著的因素Vs 影响ZrO2陶瓷磨削力比最显著的因素ap,制造工程研究院,2.6 陶瓷磨削力特点,3.陶瓷比磨削能es小 比磨削能es是指磨削加工过程中磨除工件上单位体积的金属所消耗的能量， 表达式es =W/V W-磨除V体积的金属所消耗的能量，单位是J V-被磨除金属的体积，单位mm3,显微塑性变形剪切能,磨粒与磨屑摩擦功,裂纹扩展形成新的表面,比磨削 能组成,比磨削能： 金属材料陶瓷材料 Si2N3
9、 Al2O3,制造工程研究院,2.7工程陶瓷ELID镜面磨削,在线电解修整(ELID)镜面磨削技术可以保证金属结合剂超硬磨料砂轮始终保持锐利状态，不会产生切削堵塞砂轮现象，从而可以采用微细、超细超硬磨料砂轮,ELID镜面磨削原理 Fe元素被离子化后在碱性冷却液中最终生成氧化铁薄膜粘附砂轮表面，随着磨削的进行又逐渐剥落。 应控制磨粒脱落速度小于结合剂电解蚀速度以保证砂轮表面始终有相当多的磨粒参与磨削。,制造工程研究院,2.8蓝宝石的性能及应用,1.六方晶系简介,纯氧化铝结晶透明无色 Ti3+、Fe3+蓝色蓝宝石 Cr3+红宝石 Ni3+黄色蓝宝石。,根据六方晶系的对称特点，对六方晶系采用a1,a
10、2,a3,c四个晶轴。,2.蓝宝石分子结构,3.蓝宝石晶面,C型切面的蓝宝石基底 衬底材料 A型基底产生统一的电容率/介质 高温超导材料 R型基底生长的不同沉积的硅料外延长晶 微电子集成电路。,制造工程研究院,蓝宝石的性能及应用,蓝宝石的主要应用领域,1.窗口材料,红外技术是现代战争中很重要的战略和战术手段, 而红外窗口和整流罩是红外技术的关键部件, 既 要保证光电传感器的光学性能, 以确保其红外成 像质量; 又要保护红外传感器及其光电装置不被 外界环境损伤红外窗口和整流罩通常在恶劣环境 中工作, 经受热冲击、 风沙和雨雪的撞击, 海水腐蚀,满足基本要求： (1) 机械强度高 (2) 热稳定性
11、好 (3) 化学稳定性好(4) 高光学透射率 (5) 良好光学特性 (6) 能满足大尺寸的窗口要求,2. LED衬底,衬底材料要求：与外延膜的结构、热膨胀系数 、化学稳定性匹配,磊晶：在半导体 器件制造过程中 在原有晶片上长 出新结晶，以制成新半导体层的技术。,优点1.稳定性很好，能够运用在高温生长过程 2.机械强度高，易于处理和清洗。 缺点1.晶格失配和热应力失配 2.硬度高，工艺复杂,蓝宝石外延层上表面制作的n型和p型电极,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,点击添加文本,三.硅片的磨削,2单晶硅片 磨削特点,4.超精密磨削硅 片的材料去除机理,3.单晶硅片 磨削技术,1单晶硅的 材
12、料特性,5硅片表面的磨削纹理,2单晶硅片 磨削特点,制造工程研究院,3.1单晶硅的材料特性,单晶硅的晶体结构 金刚石IV型结构，由同种元素的两套面心立方体晶格套构而成。单晶硅片是集成电路（IC）制造中最重要的衬底材料 主要晶向指数和晶面指数如下图所示。,单晶硅片最易劈开面 从晶体结构上看，单晶硅表现出各向异性，经常裂开的面称为最易裂开面。 111晶面的原子排列最密集，面间距最大，键密度最小，有最小的破裂韧性，面间结合力最弱，受力最容易裂开。 （100）面与（111）面在5474相交，从而沿5474方向裂开。 （111）面与另一个（111）面簇相交成7054，则易沿7054方向裂开。,目前，半导
13、体工业最常用的单晶硅片为 （111）晶面及（100）晶面。,制造工程研究院,3.1单晶硅的材料特性,硅的物理性质 单晶硅片呈银灰色，有明显的金属光泽，硬而脆，能导电，但其电导率不如金属且随温度的升高而增加，是一种良好的半导材料，。 具有明显的热膨胀和热传导性质。,单晶硅的力学性能 单晶硅片在室温下无延展性，但当温度高于700-800时，就具有明显的塑性，其内部存在的位错开始移动或攀移，在应力作用下会呈现塑性变形。在950-1400温度范围内，它的抗拉强度由约3.5108Pa下降到1108Pa。,制造工程研究院,3.2单晶硅片磨削特点,1、易产生表面/亚表面损伤 单晶硅片磨削过程中的材料主要以微
14、裂纹扩展和脆性断裂的方式去除，并产生塑性变形和塑性流动。采用金刚石砂轮磨削时，磨削表面易产生划痕和微裂纹等缺陷和损伤，磨削亚表面存在微裂纹、位错、非晶层、多晶层和残余应力等损伤。 2、磨削力比大、砂轮磨削比小 金刚石砂轮磨削单晶硅片时，磨削力比大，要求超精密磨削的砂轮主轴必须具有较高刚度。为了减小单晶硅片磨削亚表面损伤，大多采用硬度较软的树脂结合剂和陶瓷结合剂金刚石砂轮，因而砂轮磨削比小。,3、磨削表面质量不易保证 磨削单晶硅片能获得较高的加工精度，但磨削表面会留下明显的“磨纹”（Grinding Marks）。单晶硅片磨削表面的磨纹不仅影响硅片表面的纳米形貌和粗糙度，而且会影响硅片的强度。
15、4、磨削的单晶硅片易产生变形和碎裂 在磨削加工过程中单晶硅片亚表面会产生残余应力，易引起大直径薄硅片的翘曲或弯曲变形，尤其是引起背面减薄硅片的严重变形，使硅片自动输运困难，很容易产生破碎。,制造工程研究院,3.3单晶硅片的磨削技术,1、转台式磨削 硅片分别固定于旋转台的吸盘上，在转台的带动下同步旋转，硅片本身并不绕其轴心转动;砂轮高速旋转的同时沿轴向进给，砂轮直径大于硅片直径。 优点：与研磨方法相比，转台式磨削具有去除率高、表面损伤小、容易实现自动化等优点,不足：磨削加工中实际磨削区面积B和切入角均随着砂轮切入位置的变化而变化，导致磨削力不恒定，难以获得理想的面型精度，并容易产生塌边、崩边等缺
16、陷 应用场合：转台式磨削技术主要应用于200mm以下单晶硅片的加工。单晶硅片尺寸增大，对设备工作台的面型精度和运动精度提出了更高的要求，因而转台式磨削不适合300mm以上单晶硅片的磨削加工。,制造工程研究院,3.3单晶硅片的磨削技术,2、硅片旋转磨削 原理：吸附在工作台上的单晶硅片和杯型金刚石砂轮绕各自轴线旋转，砂轮同时沿轴向连续进给。其中，砂轮直径大于被加工硅片直径，其圆周经过硅片中心。为了减小磨削力和减少磨削热，通常把真空吸盘修整成中凸或中凹形状或调整砂轮主轴与吸盘主轴轴线的夹角，保证砂轮和硅片之间实现半接触磨削。,硅片旋转磨削与转台式磨削相比具有以下优点:单次单片磨削，可加工300mm以上的大尺寸硅片;实际磨削区面积B和切入角定，磨削力相对稳定; 通过调整砂轮转和硅片转轴之间的倾角可实现单晶硅片而型的
