单晶碳化硅的硬度大、熔点高、导热率高,具有非常高的化学稳定性和热稳定性。单晶碳化硅具有优异的半导体性质,是第三代半导体材料,在半导体工业中具有广泛的应用范围和发展前景。但是,单晶碳化硅是典型的难加工硬脆材料,为了提高其加工效率和加工质量,本文对单晶碳化硅晶片的激光-水射流复合近无损伤微细加工机理进行了系统研究。本文的研究成果可用于类似硬脆材料的近无损伤微细加工。实验研究了激光-水射流复合微细加工单晶碳化硅晶片的成形性能。研究了工艺参数对槽深、槽宽和材料去除率影响的显著性。结果表明,射流倾角、射流偏置距离、喷嘴靶距、扫描速度、激光平均功率和水压对槽深、槽宽和材料去除率的影响都非常显著;激光焦平面高度对槽深和材料去除率的影响非常显著,对槽宽的影响不显著;激光脉冲频率对槽深的影响非常显著,对槽宽和材料去除率的影响中等显著。建立了槽深、槽宽和材料去除率的回归预报模型,该模型预报结果平均误差均低于10.0%。研究了单一工艺参数对槽深、槽宽和材料去除率的影响规律。结果表明,槽深、槽宽和材料去除率随着激光平均功率的增加而增大;槽深、槽宽和材料去除率随着射流偏置距离的增加而先增大后减小;槽深、槽宽和材料去除率随着喷嘴靶距和水压的增加而降低;槽深和槽宽随着扫描速度的增加而降低,材料去除率随着扫描速度的增加而先增大后减小。研究了工艺参数间的交互作用对槽深、槽宽和材料去除率的影响规律。结果表明,使槽深、槽宽和材料去除率达到极大值的临界射流偏置距离随着水压的增加而增大,但是几乎不随喷嘴靶距的变化而变化。对激光-水射流复合微细加工单晶碳化硅晶片的加工表面质量进行了评价。结果表明,激光-水射流复合微细加工后的材料表面质量较高,其加工区域与未加工区域间的边界清晰,切口边缘平直,切口两侧的材料表面洁净;加工得到的V形槽具有较好的三维形貌和截面轮廓,槽的边缘与未加工表面间的过渡平滑;在切口两侧未观察到明显的热影响区,切口侧壁表面纹理清晰,具有发生塑性去除行为后的材料表面特征,材料表面不存在重铸层。研究了激光-水射流复合微细加工过程中,激光、水与工件材料之间的多场耦合作用机理与规律。研究了激光对工件材料的加热作用,建立了激光热源在空间和时间上的分布模型。结果表明,激光热源的能量在z轴上呈指数分布,沿z轴负方向逐渐减弱;激光热源在时间上呈脉冲周期分布,激光强度在脉冲持续期间内近似为正态分布。研究了水射流对工件材料的冲击作用。结果表明,最大壁面切应力随着喷嘴靶距的增加而降低;随着喷嘴靶距的增加,最大壁面切应力点逐渐远离滞点。研究了水射流对工件材料的冷却作用。结果表明,射流冲击区的平均对流换热系数比壁面射流区高两个数量级,水射流强制对流换热主要发生在射流冲击区;射流冲击区和壁面射流区的平均对流换热系数随着水压的升高而增大。研究了水射流对激光的干涉作用。结果表明,水对激光的反射率为2%左右;水对激光的吸收率在冲击区小于1.4%,在壁面射流区小于0.3%;折射后激光焦平面位置下移,激光束聚焦直径增大;折射率随着温度的升高而略有减小,水压变化对折射率的影响较小;水的紊动和掺气导致激光射入水中后光束质量下降,水压升高增强了水的紊动性,导致激光光束质量进一步降低;加工时水中不会形成等离子体。研究了激光-水射流复合微细加工过程中工件材料内部的温度场分布。确定了激光-水射流复合微细加工单晶碳化硅的温度场模型的初始条件和边界条件;研究了 4H单晶碳化硅的热物理性质与温度的关系;建立了考虑工件材料高温热物理性能参数变化的激光-水射流复合微细加工单晶碳化硅的温度场模型。结果表明,在0-200 ns时间范围内工件材料内部温度逐渐升高,工件材料被加热区域逐渐扩大;工件材料内部的等温线分布规律与激光热源作用于工件材料内部的能量分布规律一致。揭示了激光-水射流复合微细加工单晶碳化硅的材料去除机理。当温度高于脆塑转变温度时,单晶碳化硅的屈服强度低于断裂强度,表现出塑性行为。当施加在主滑移系(0001)<1120>上的分切应力大于工件材料的临界分切应力时,工件材料发生晶格滑移、变形并最终被去除。随着温度的升高,4H单晶碳化硅的临界分切应力显著下降;当温度为1650 K时,4H单晶碳化硅的临界分切应力小于5 MPa。建立了激光-水射流复合微细加工4H单晶碳化硅的工件材料去除廓形有限差分模型,实验验证了模型的有效性,该模型对槽深、槽宽和切口截面轮廓的预报均具有较高的精度。研究了一个激光脉冲周期和多个激光脉冲周期内的温度演变和材料去除廓形演变过程。结果表明,在一个激光脉冲周期内,材料加热发生在整个脉冲持续期间(0-350 ns),材料去除大致发生在200-350 ns时间范围内;当t≈350 ns时,材料加热和去除暂停,工件材料在水射流强制对流换热作用下逐渐冷却;随着激光脉冲数的增加,槽深逐渐增大,槽宽的增大不明显,直到形成最终切口轮廓;激光平均功率越高,材料软化和去除量越多,但是在不同的激光平均功率下,工件材料的最高温度基本相同。