机刻光栅铝薄膜纳观沉积模拟分析及其刻划研究

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1、学号：S15030328机刻光栅铝薄膜姓纳硕士学位论文观名沉积模拟分析及其刻划研机刻光栅铝薄膜纳观沉积模拟分析及其刻划研究究研究生姓名：王占鹏王占鹏领域名称：机械工程二○一八年六月I分类号：TH164密级：可公开UDC:______编号：______机刻光栅铝薄膜纳观沉积模拟分析及其刻划研究NanoscaleDepositionSimulationAnalysisandRulingStudyofMechanicalRulingGratingAluminumThinFilm学位授予单位及代码：长春理工大学（

2、10186）学科专业名称及代码：机械工程（080200）研究方向：精密和超精密加工技术申请学位级别：硕士指导教师：张宝庆副教授研究生：王占鹏论文起止时间：2016.10-2018.04III摘要机械刻划光栅属于超精密加工领域，是由刻划机在厚铝薄膜（10-15μm）毛坯上刻划出大量具有周期性的凹槽制备而成。铝薄膜采用真空蒸镀方法获得，79g/mm中阶梯衍射光栅的刻深在3-5μm之间。受真空镀制工艺影响，铝薄膜沉积吸附及生长方式直接决定了薄膜内部微观结构的不同，进而导致其力学性能、表面形貌及光学反射特性不一，

3、同时受基底效应的影响，光栅刻划成槽过程变得更加复杂。本文首先从铝薄膜镀制形成机理出发，基于第一性原理，使用CASTEP软件包建立铝原子吸附模型，计算不同表面吸附位置的吸附能，确定铝原子沉积过程为放热过程。针对镀膜过程中温度持续升高现象，采用分步镀制工艺和连续镀制工艺获得铝薄膜样本，通过AFM、XRD及纳米压痕测试等实验手段，获得了不同镀制工艺下铝薄膜样本力学性能与表面形貌特征等方面的差异，为揭示厚铝薄膜真空镀制生长机理提供了方法与参考。其次，针对机刻光栅深度大、受基底影响及材料隆起规律复杂性问题，本文采用

4、有限元模拟无基底铝薄膜压入过程和有基底铝薄膜压入过程，结合量纲分析理论，研究并获得了槽底回弹量与隆起高度的变化规律。最后，采用分步镀制工艺铝薄膜进行真实刻划试验，对槽底角及刻划刀侧面材料隆起进行分析，该项研究为进一步揭示光栅刻划成槽机理，改善成槽质量提供了参考。关键词：铝薄膜温度力学性能表面特征刻划槽形IABSTRACTMechanicalrulinggratingbelongtothefieldofultra-precisionmachiningandareproducedbyrulingmachine

5、sthatrulingalargenumberofperiodicgroovesonathickaluminumfilm(10-15μm)blank.Thealuminumfilmwasobtainedbyvacuumevaporationmethod,andthedepthofechellediffractiongratingin79g/mmisbetween3-5μm.Affectedbythevacuumvaporplatingprocess,thedepositionadsorptionandgr

6、owthmodesofthealuminumfilmdirectlydeterminetheinternalmicrostructuredifferenceofthefilm,whichinturnleadstodifferentmechanicalproperties,surfacemorphology,andopticalreflectioncharacteristics.Atthesametime,itisaffectedbythesubstrateeffect,thegroovingprocess

7、ofgratingbecomesmorecomplicated.Thispaperstartswiththeformationmechanismofaluminumthinfilmthevacuumvaporplating,basedonthefirstprinciple,usingtheCASTEPsoftwarepackagetoestablishthealuminumatomadsorptionmodel,calculationtheadsorptionenergyofdifferentsurfac

8、eadsorptionsites,anddeterminethealuminumatomdepositionprocessisanexothermicprocess.InviewofThephenomenonofthecontinuousincreaseintemperatureduringthevacuumvaporplatingprocess,aluminumthinfilmsampleswereobtainedbyste