化学机械干式研磨的转化率建模及优化试验(2)
【作者】网站采编
【关键词】
【摘要】式中,t为时间;k为固相反应速率常数;A为接触面积;n为反应级数。 由化学反应动力学的阿伦尼乌斯方程可知,单纯化学作用的固相反应速率常数为[21
式中,t为时间;k为固相反应速率常数;A为接触面积;n为反应级数。
由化学反应动力学的阿伦尼乌斯方程可知,单纯化学作用的固相反应速率常数为[21]
式中,α为指前因子(只由反应本质决定而与反应过程变量无关的常数);Ea为化学反应活化能(分子从常态转变为容易发生化学反应的活跃状态所需要的能量);R为摩尔气体常数;T为热力学温度。
等效粗糙表面的微凸体等曲率,曲率半径为R0,经t时间后,反应掉的厚度为x,由式(1)和图1d可知单个微凸体的转化率:
则反应掉的厚度x可表示为单个微凸体转化率G0的函数:
由图1c、图1d可知单个微凸体的反应表面积[22]:
研究磨具旋转而工件静止的情况,等效粗糙表面微凸体的总数为
式中,η为微凸体面密度;Am为名义接触面积;n0为磨具转速。
与等效平面接触的等效粗糙表面微凸体总数为[22]
式中,Φ(z)为表面微凸体高度分布函数。
所有单个微凸体转化率G0的数学期望为
与等效平面接触的等效粗糙表面微凸体总面积为[22]
经机械强化的固相反应转化率GJ沿用无机械作用的纯化学固相反应转化率G的一般定义式:
式中,kJ为经机械强化的固相反应速率常数。
化学机械研磨时,摩擦应力引起原子间的键力常数发生改变,原子间的距离和键角发生变化,降低反应所需的活化能,表观上表现为化学反应更易进行。引入因机械作用的活化能修正系数λ后,kJ修正为[23]
式中,λ为机械作用的活化能修正系数;fu为摩擦应力;Fa为原子键极限应力。
根据摩擦学分子机械理论可得[24]
式中,γ为与表面分子特性有关的参数;β为与表面机械特性有关的参数;Ar为有效接触面积;p为正压力。
假设等效粗糙表面的微凸体均布,且h=R0,此时GJ=G0,令为反应接触面积系数,则
对式(15)变上限积分并考虑初始条件t=GJ=0,可得随kJ、FJ和反应作用时间ti变化的经机械强化的固相反应转化率数学模型GJ(kJ,FJ,ti):
1.3 化学机械干式研磨固相反应转化率影响参数
1.2节建立的化学机械干式研磨固相反应转化率数学模型的影响参数包括化学基本参数、机械基本参数以及机械化学复合参数,其中,工件和固结磨具的成分决定了化学基本参数(反应级数n、指前因子α、化学反应活化能Ea和原子键极限应力Fa),工件和固结磨具的宏观尺寸与表面微观形貌决定了机械基本参数(名义接触面积Am、有效接触面积Ar、工件粗糙表面的微凸体曲率半径Rp1、磨具粗糙表面的微凸体曲率半径Rp2、工件粗糙表面的微凸体面密度η1以及磨具粗糙表面的微凸体面密度η2)。以试验测定或拟合以上化学和机械基本参数后,结合研磨时间、转速和载荷,可计算出机械化学复合参数(经机械强化的固相反应速率常数kJ、反应接触面积系数FJ、等效粗糙表面微凸体总数N、摩擦应力fu以及机械作用的活化能修正系数λ),进而根据式(16)计算化学机械研磨过程的转化率。
由以上分析可知,转化率的影响因素众多。然而,在实际的研磨中,当所加工工件和磨具成分确定后,相比其他参数,载荷、转速、磨具粗糙表面微凸体曲率半径(受磨料粒径影响)、磨具粗糙表面的微凸体面密度(受磨料在磨具中的含量影响)在工程上的可控性强。
采用硬度低于工件的磨料制作磨具研磨工件时,磨具与工件发生化学反应生成易于去除的产物,使工件材料能够被快速去除;磨具与工件反应的产物去除后,磨具才可与工件继续反应。换言之,去除率与转化率互为保障。工程实践中,测量去除率比转化率更方便快捷。
2 加工试验与结果分析
以多核水羟合镁离子结合剂SiO2固结磨料磨具对蓝宝石进行化学机械干式研磨。由于磨料SiO2的硬度低于被加工工件蓝宝石,二者发生固相反应生成硬度低于SiO2的Al2O3·SiO2[1]是蓝宝石被快速去除的前提。本实验中以1 h去除高度(平均去除率)为参数优化的目标。
2.1 试验平台
图2中,45钢钢板和钢基体被定位夹紧于加工平台,蓝宝石晶片粘贴于45钢钢板上,磨具粘贴于钢基体上。试验时,可施加不同载荷于45钢基体,磨具转速可调。
1.螺栓 2.螺母 3.压板 4.45钢钢板 5.蓝宝石(未加工区域) 6.蓝宝石(已加工区域)7.磨具 8.45钢基体图2 加工装置图 apparatus diagram
文章来源:《金刚石与磨料磨具工程》 网址: http://www.jgsymlmjgc.cn/qikandaodu/2021/0708/470.html
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