單晶矽超精密加工技術仿真（簡體書）

單晶矽作為一種典型的硬脆半導體材料，廣泛應用於微電子領域。超精密加工技術可以實現矽表面的高質量加工，但加工方法需要很高的實驗條件和工作成本。本書以材料力學、超精密加工等學科為理論基礎，建立單晶矽超精密車削的有限元和分子動力學模型，優化切削參數以及刀具參數，解決傳統研究中只能通過大量實驗來確定*優工藝參數的弊端，降低實驗成本，提高加工效率。
本書適合從事超精密加工技術研究的科研工作者、工程技術人員或高校教師、本科生、研究生閱讀，也可以作為科普讀物，加深讀者對這一領域的瞭解。

單晶矽超精密加工技術仿真，有效解決工藝參數弊端，顯著降低實驗成本，明顯提高加工效率

目 錄

前 言

第1章 緒論.......................................................................................................................................1

1.1 單晶矽超精密切削加工的發展現狀.......................................................................................2

1.1.1 單晶矽脆塑性轉變機理研究的國內外現狀....................................................................2

1.1.2 金剛石刀具的超精密加工現狀........................................................................................4

1.2 切削的有限元仿真發展現狀...................................................................................................6

1.2.1 有限元軟件的選擇和簡介................................................................................................6

1.2.2 有限元超精密切削的仿真研究現狀................................................................................7

1.3 單晶矽超精密切削的分子動力學仿真發展現狀...................................................................9

第2章 超精密切削有限元理論研究及模型建立...............................................................12

2.1 切削的基本理論.....................................................................................................................12

2.1.1 切削變形區......................................................................................................................12

2.1.2 超精密切削機理及最小切削深度..................................................................................13

2.2 有限元法的概述.....................................................................................................................16

2.3 非線性有限元基礎與求解方法.............................................................................................17

2.3.1 非線性問題的分類..........................................................................................................17

2.3.2 非線性有限元的求解方法及迭代的收斂判據..............................................................21

2.4 Marc超精密切削的有限元建模............................................................................................23

2.4.1 建立超精密切削的幾何模型..........................................................................................24

2.4.2 建立刀具和工件的材料模型..........................................................................................24

2.4.3 建立接觸摩擦模型..........................................................................................................25

2.4.4 邊界條件的定義..............................................................................................................27

2.4.5 建立切屑的分離模型......................................................................................................27

2.4.6 熱機耦合..........................................................................................................................29

2.5 本章小結.................................................................................................................................30

第3章 單晶矽二維精密切削過程的有限元仿真和結果分析.......................................31

3.1 切屑形狀的研究.....................................................................................................................31

3.1.1 切屑形成機理的研究......................................................................................................31

3.1.2 刀具幾何參數對切屑形狀的影響..................................................................................32

3.1.3 切削參數對切屑形狀的影響..........................................................................................34

3.2 單晶矽精密切削中切削力的研究.........................................................................................35

3.2.1 切削力隨時間的變化規律..............................................................................................35

3.2.2 刀具幾何參數對切削力的影響......................................................................................37

3.2.3 切削參數對切削力的影響..............................................................................................38

3.3 單晶矽精密切削中的應力場分析.........................................................................................38

3.3.1 單晶矽應力場的分佈......................................................................................................38

3.3.2 刀具幾何參數對應力的影響..........................................................................................39

3.3.3 切削參數對應力的影響..................................................................................................41

3.4 單晶矽精密切削中的溫度場分析.........................................................................................43

3.4.1 單晶矽超精密切削的切削溫度場..................................................................................43

3.4.2 刀具幾何參數對切削溫度的影響..................................................................................45

3.4.3 切削參數對切削溫度最大值的影響..............................................................................46

3.5 本章小結.................................................................................................................................47

第4章 單晶矽超精密切削實驗及有限元模型的驗證.....................................................48

4.1 超精密切削系統的建立.........................................................................................................48

4.1.1 超精密加工系統組成......................................................................................................48

4.1.2 超精密加工系統原理......................................................................................................50

4.2 超精密切削的實驗研究.........................................................................................................50

4.3 本章小結.................................................................................................................................53

第5章 單晶矽納米加工的三維仿真......................................................................................54

5.1 三維有限元建模.....................................................................................................................54

5.2 單晶矽晶面的選擇.................................................................................................................57

5.3 單晶矽微納結構的加工.........................................................................................................60

5.4 本章小結.................................................................................................................................63

第6章 單晶矽超精密切削的分子動力學建模...................................................................64

6.1 分子動力學仿真方法.............................................................................................................64

6.1.1 分子動力學仿真的基本思想和理論..............................................................................64

6.1.2 週期性邊界條件..............................................................................................................65

6.1.3 分子動力學系統的運動方程..........................................................................................67

6.1.4 積分算法與勢函數..........................................................................................................68

6.1.5 系綜概念..........................................................................................................................71

6.1.6 時間步長..........................................................................................................................73

6.2 分子動力學仿真步驟.............................................................................................................74

6.3 仿真模型的建立.....................................................................................................................76

6.4 本章小結..................................................