CN107042591A - 基于高能离子辐照电离损伤的晶体材料超精密加工方法 - Google Patents

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房丰洲
王金石
张效栋
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    • B28—WORKING CEMENT, CLAY, OR STONE
    • B28D—WORKING STONE OR STONE-LIKE MATERIALS
    • B28D5/00—Fine working of gems, jewels, crystals, e.g. of semiconductor material; apparatus or devices therefor
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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Abstract

本发明涉及一种基于高能离子辐照电离损伤的晶体材料超精密加工方法，包括：(1)根据待加工面形，确定离子改性层的位置与厚度；(2)以电离能损分布作为参考量，采用数值方法模拟不同种类离子在不同能量下的离子辐照过程，选择出较优的参数组合用于注入；(3)根据设计的注入参数采用级联加速器进行高能离子辐照表面改性；(4)将改性后的材料装卡到超精密车床主轴上，经调整后，进行超精密切削。

Description

基于高能离子辐照电离损伤的晶体材料超精密加工方法
技术领域
本发明涉及一种采用高能离子辐照电离损伤的晶体材料超精密加工新方法。
背景技术
超精密机械加工是先进制造的核心技术之一，对航空航天、国防建设以及国民经济发展具有重要意义。超精密加工涉及的材料种类繁多，包括金属、半导体、陶瓷等，其中许多晶体材料由于独特的物理或化学性质而具有广阔的应用前景。然而绝大多数非金属单晶属于脆性材料，在加工过程中极易发生表面破碎从而影响产品质量。因此，提高表面质量是晶体材料超精密加工的关键问题。
磨削是加工脆性材料的常用方法之一，但其产生的表面损伤仍需要通过抛光予以最终去除，增加了工艺的复杂性；此外，磨削方法不适用于复杂面形(如光学自由曲面)的超精密加工，而金刚石车削技术成为了更为理想的解决方案。即便如此，晶体车削仍然面临加工表面破碎及刀具磨损严重的问题，从而增加制造成本。
离子束辐照是被广泛应用的材料表面改性技术，能够软化晶体材料表层从而改善其加工性能。但是现有技术的缺陷是软化改性层厚度过小，难以满足超精密加工的要求。这一问题的根源在于已有技术的设计理念是通过入射离子与脆性材料的原子核相互碰撞来进行表面软化。这一物理过程只有在接近入射离子的射程末端才能达到理想的改性效果，而射程末端到表面范围内的材料软化效果不好。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出一种通过一次性离子辐照制备大厚度改性层的方法，用于晶体材料超精密机械加工，通过利用入射离子与材料原子间的电离作用，提高表层的改性效果。技术方案如下：
一种基于高能离子辐照电离损伤的晶体材料超精密加工方法，包括下列步骤：
(1)根据待加工面形，确定离子改性层的位置与厚度；
(2)以电离能损分布作为参考量，采用数值方法模拟不同种类离子在不同能量下的离子辐照过程，选择出较优的参数组合用于注入；
(3)根据设计的注入参数采用级联加速器进行高能离子辐照表面改性；
(4)将改性后的材料装卡到超精密车床主轴上，经调整后，进行超精密切削。
优选地，所述的晶体材料指单晶硅，离子辐照的表面是(100)晶面，注入参数为氟离子，能量6MeV，剂量1015cm-2。表面改性层和超精密切削深度均大于1μm。数值方法为蒙特卡洛方法。
本发明针对晶体材料超精密加工时表面破碎的问题，与现有技术相比具有以下优点：
(1)利用离子束与材料的电离相互作用，保证了晶体表层具有较高的软化效果，能够在一次离子辐照过程中形成微米级厚度的表面改性层，进而有效降低材料脆性与机械强度，提高加工表面质量，并减轻刀具磨损。
(2)通过灵活控制离子辐照参数，可将本发明方法与现有技术有效结合，进一步降低离子辐照剂量，减少加工成本，与超精密加工工艺具有更好的相容性。
附图说明
图1离子辐照表面改性示意图，(a)脆性材料加工过程中容易发生断裂而造成表面损伤示意图。(b)和(c)分别为高能量离子辐照脆性材料表面及沿离子运动轨迹发生电离作用示意图。(d)加工处于较厚的表面改性层内时可有效抑制工件碎裂示意图。
图2离子辐照的数值模拟。
具体实施方式
晶体材料普遍具有脆性，故在超精密机械加工中容易发生断裂而造成表面损伤(见图1a)。当采用具有兆电子伏级高能量离子辐照材料表面时时，沿离子运动轨迹会发生电离作用，如图1(b)、(c)所示。当电离强度足够高时，工件材料的局部呈现带电状态，晶格原子在库伦力作用下相互排斥，致使局部结构被破坏，实现表面软化。电离作用在表面附近具有很高强度，且在微米级的深度范围内下降缓慢(见图2)。当加工处于较厚的表面改性层内时，便可有效抑制工件碎裂，如图1(d)。
高能离子注入采用级联加速器完成，对于特定的离子源，通过控制加速电压与注入剂量就能够实现不同厚度与损伤程度的表面改性层。该部分是材料科学与离子注入技术的基本知识，通过查阅相关参考文献获得[1,2]。
本发明具体实施方式如下：
1.根据待加工面形，确定离子改性层的位置与厚度；
2.高能离子注入采用级联加速器完成，采用数值方法模拟不同种类离子在不同能量下的离子辐照过程，选择出较优的参数组合用于注入；
3.根据设计的注入参数进行高能离子辐照表面改性；
4.将改性后的材料装卡到超精密车床主轴上，经调整后，进行超精密切削实验，同时进行未注入材料的对比实验；
5.对已加工表面形貌、材料的微观晶体结构以及纳米力学性能进行测试，以表征离子束辐照的改性效果。
具体实施方式中提及的晶体材料是指单晶硅，离子辐照面是(100)晶面。
具体实施方式中提及的超精密切削深度一般大于1μm。
具体实施方式中提及的数值模拟为蒙特卡洛方法(见图2)，采用SRIM软件实现，并以电离能损分布作为参考量。本例中的注入参数为氟离子，6MeV，1015cm-2。
具体实施方式中提及的表面形貌通过激光共聚焦显微镜或扫描电镜观测，微观晶体结构通过拉曼光谱和透射电镜进行表征，纳米力学性能通过纳米压痕技术或切削实验进行测量。
参考文献
[1]Pelaz L,Marqués L A,Barbolla J.Ion-beam-induced amorphization andrecrystallization in silicon.Journal ofappliedphysics 2004；96(11)；5947-76.
[2]Li Z,Chen D,Wang J,et al.Molecular dynamics simulation of Coulombexplosion and structural changes in silicon.Nuclear Instruments and Methodsin Physics Research Section B:Beam Interactions with Materials andAtoms,2013,307:86-88。

Claims (4)

1.一种基于高能离子辐照电离损伤的晶体材料超精密加工方法，包括下列步骤：
(1)根据待加工面形，确定离子改性层的位置与厚度；
(2)以电离能损分布作为参考量，采用数值方法模拟不同种类离子在不同能量下的离子辐照过程，选择出较优的参数组合用于注入；
(3)根据设计的注入参数采用级联加速器进行高能离子辐照表面改性；
(4)将改性后的材料装卡到超精密车床主轴上，经调整后，进行超精密切削。
2.根据权利要求1所述的晶体材料超精密加工方法，其特征在于，所述的晶体材料指单晶硅，离子辐照的表面是(100)晶面，注入参数为氟离子，能量6MeV，剂量1015cm-2。
3.根据权利要求1所述的晶体材料超精密加工方法，其特征在于，表面改性层和超精密切削深度均大于1μm。
4.根据权利要求1所述的晶体材料超精密加工方法，其特征在于，数值方法为蒙特卡洛方法。
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