【摘 要】
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化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition,CVD）金刚石具有硬度高、耐磨性好、形状任意等优点,可作为固结磨具应用于除铁系材料外所有材料的研磨抛光。但CVD金刚石固结磨具表面致密导致容屑空间小,且磨粒几何形状不可控,影响其加工质量与效率。本文开展了基于双偏压辅助热丝化学气相沉积（Hot-Filament CVD,HFCVD）技术的微结构金刚石磨具制备研究,基于分子动力学的单晶
【基金项目】
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国家自然科学基金联合基金项目U20A20293；
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化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition,CVD）金刚石具有硬度高、耐磨性好、形状任意等优点,可作为固结磨具应用于除铁系材料外所有材料的研磨抛光。但CVD金刚石固结磨具表面致密导致容屑空间小,且磨粒几何形状不可控,影响其加工质量与效率。本文开展了基于双偏压辅助热丝化学气相沉积（Hot-Filament CVD,HFCVD）技术的微结构金刚石磨具制备研究,基于分子动力学的单晶硅塑性去除机理以及锥参数影响机制的研究,并对锥形微结构金刚石磨具的研磨性能进行了评价。本文的主要工作和研究成果如下:1.采用双偏压辅助HFCVD技术分别对自支撑金刚石（Free-Standing Diamond,FSD）和微米晶金刚石（Microcrystalline Diamond,MCD）进行反应离子刻蚀。获得了反应气压、甲烷浓度、衬底偏压和栅极偏压等刻蚀参数对金刚石锥结构的形状、尺寸、密度以及刻蚀效率的影响规律,其本质是改变了等离子体的密度和能量,从而对刻蚀效果产生影响。2.采用LAMMPS建立了金刚石单锥工具纳米刻划单晶硅的三维分子动力学模型。通过分析切屑、原子结构、势能和受力情况研究了单晶硅的纳米加工机制,结果表明,单晶硅的纳米加工过程本质上是硅原子晶格变形和破坏的过程,其塑性去除以非晶化和原子的相变为主。3.采用LAMMPS软件模拟了不同金刚石锥参数下单晶硅的纳米刻划过程。研究发现,锥角的增加对材料去除率的提升效果不明显,但会造成亚表面损伤层深度和工具受力的显著增加;锥尖圆弧则呈现相反的规律,圆弧半径增加,可有效提升去除率,同时对其他方面的影响较小;下压量的变化对加工效率和质量影响极大,为了保证加工精度,应遵循“少量多次”的原则。4.采用锥角为60°的微结构FSD和MCD作为研磨工具在10 N的压力下对单晶硅片进行研磨。结果显示,两种微结构研具都有较好的研磨效果,15 min之后单晶硅的表面粗糙度Ra从原始的467.3 nm分别减小为28.9 nm和18.0 nm。当使用两种粒径磨具复合研磨时,Ra值达到5.3 nm。相比未刻蚀的金刚石磨具,其表面磨粒的形状优化,研磨性能更好。
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