关键词：碳化硅;;流场仿真;;超声辅助;;材料去除率
摘 要：碳化硅材料具有许多优异性能,如高强度、高硬度、高密度以及良好的高温性能和耐磨性、热膨胀系数小、抗冲击好等,使得在航空、航天、通信方面有着广阔的应用前景。然而SiC材料极强的化学惰性和超高的硬度使得现行的加工方法难以实现高材料去除率的同时获得原子级的平整表面。本文致力于SiC材料的超精密加工,将电化学辅助、超声振动和半固定磨粒抛光三者结合进行理论与实验研究,来提高SiC材料的表面质量与加工效率。利用COMSOL Multiphysics软件对试件与抛光盘之间的抛光液区域进行了流场建模与仿真分析,探究了不同的超声频率、振幅、抛光垫对流场的压力、流速的影响情况。仿真结果表明,流体的速度和压力都会随着超声频率或振幅的增加而增加。使用多孔抛光垫时,试件下方的流体速度变得更小、更平稳,而压力增大了近百倍,空化也变得更加强烈,更有利于化学反应自由基的生成。利用COMSOL Multiphysics软件对碳化硅试件研抛过程中的温度场、电场及质量传递过程进行了仿真分析。仿真结果表明,试件与抛光盘接触面的温度先急剧升高,然后逐渐降低,最后趋于平缓,随着超声频率、振幅等的增加,试件表面的温升也随之增加。当使用抛光垫后,试件底面的电压显著升高,在抛光垫液孔处的电流密度要明显高于周围溶液。当试件与芬顿液中的羟基离子接触时,两侧边缘的腐蚀速度要明显高于底部的腐蚀速度。分别应用铸铁抛光盘、聚氨酯抛光盘、半固定磨粒抛光盘三种抛光盘在自来水、KOH溶液、芬顿反应液三种研抛液中对SiC进行了超声-电化学机械研抛试验,并利用称重法计算出材料去除率。结果表明,使用铸铁抛光盘时材料去除率高,但表面质量差,使用半固定磨粒抛光盘时表面质量最好,但材料去除率低。芬顿反应液对提高试件的材料去除率效果最好。在试件与抛光盘之间的电压为+10V时,试件的材料去除率最高。超声振动对碳化硅试件研抛的影响要大于电场,可见超声振动对碳化硅试件抛光起主要作用。
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