碳化硅超声—电化学抛光仿真与研抛实验研究

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1、硕士学位论文碳化硅超声-电化学抛光仿真与研抛实验研究SIMULATIONANDEXPERIMENTALSTUDYONUITRASONIC-ELECTROCHEMICALPOLISHINGOFSILLICONCARBIDE孙丙镇哈尔滨工业大学2016年6月国内图书分类号：TH13学校代码：10213国际图书分类号：621密级：公开硕士学位论文碳化硅超声-电化学抛光仿真与研抛实验研究硕士研究生：孙丙镇导师：翟文杰教授申请学位：全日制工学硕士学科：机械设计及理论所在单位：机电工程学院答辩日期：2015年7月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex：TH13U

2、.D.C：621DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringSIMULATIONANDEXPERIMENTALSTUDYONUITRASONIC-ELECTROCHEMICALPOLISHINGOFSILLICONCARBIDECandidate：SunBingzhenSupervisor：Prof.ZaiWenjieAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpecialty：MechanicalDesignandTheoryAffiliation：SchoolofMechatro

3、nicsEngineeringDateofDefence：July，2016Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要碳化硅是第三代半导体材料，具有优良的电性能与物理化学性能。同时，碳化硅也是一种超硬材料，具有脆性大、对缺陷敏感、抗冲击性差、化学惰性极强的特点，因此加工难度很大。传统的磨削方法获得的表面质量较差，现行的几种精密抛光方法则去除率很低。超声波—电化学抛光是结合了电化学抛光与超声波辅助抛光的复合抛光技术，在模具加工领域已取得显著的研究成果，但目前尚未有将该技术应用于碳化硅加工的研究

4、。通过对碳化硅超声波—电化学抛光过程的流场、电场仿真分析与实验研究，论文探索了该方法实现碳化硅高效去除的可行性，获得了不同工艺参数对研抛效果的影响规律，对碳化硅高效超精密加工具有重要的理论和指导意义。首先进行流场仿真分析，针对不同的研抛变量，利用Fluent软件建立了三种不同的仿真模型；分别研究超声振动、流体膜厚度与抛光垫打孔对流场的速度、压力与气相分布等特征的影响规律。结果显示：超声振动会使试件表面的流体剧烈变化，产生极强的剪切流与高压作用；流体膜厚度越小，研抛表面承受的压力越大，剪切流越强，加工效果越好；抛光垫上的小孔会阻碍试件表面的流体流动，使流场的压力出现台阶变

5、化，有利用超声空化的产生。然后进行电场分析，利用AnsoftMaxwell软件，分别研究研磨液电导率、流体膜厚度与试件材料对电场分布的影响规律。结果表明：电压通过试件时并不击穿试件内部，而是由侧面向下传导；随着研磨液电导率升高，试件表面的电流密度线性增大且效果显著；流体膜厚度的变化对试件表面的电场分布影响很小，在一定范围内，流体膜厚度越小，表面电流越高；在相同的仿真模型中，碳化硅试件在研抛表面的电流密度比铁、铜等良导体降低了约20%。最后，自主研制超声波—电化学研抛实验机，实现超声辅助、电压加载与实时数据采集。通过系列研磨与抛光实验，获得了超声辅助、外加电压与研磨液组分

6、对碳化硅摩擦磨损性能的影响规律。实验研究表明：试件对研抛盘的摩擦系数主要取决于研磨液的成分，相同条件下金刚石悬浮液可使SiC试件去除最快；向试件施加正电压与超声辅助都能提高材料去除率，但不能改变摩擦系数；超声振动对研抛过程的影响大于电场的作用；通过超声振动与外加电场的辅助，在60N压力下，以金刚石悬浮液为研抛液，获得SiC试件的最高研磨去除率为15.7mg/h，在10N压力下，SiC试件的最高抛光去除率为1.21mg/h。关键词：碳化硅；流场仿真；电场仿真；实验机设计；摩擦磨损特性-I-AbstractAbstractSiliconcarbide(SiC)istheth

7、ird-generationsemi-conductor,itselectricalandphysicalpropertiesareunique.However,SiCisalsoknownassuper-hardmaterial,itisveryhardtoprocessforitshighbrittleness,lowimPactresistanceandextremelylowchemicalinertness.Traditionalprocessingmethodsgetlow-qualitysurface,thecurrentu