面向材料的超精密金刚石切削加工机理

采用超精密单点金刚石切削加工技术制备超光滑表面在国防尖端和航空航天等领域具有重要应用.当前缺乏对超精密加工机理的理解,极大地制约着超精密加工技术的提高.金刚石切削加工是一个刀具与材料高度耦合的过程,工件材料的性能对加工结果具有重要影响.本文研究了具有不同属性和微结构的典型材料超光滑表面的金刚石切削加工机理:(1)研究了多晶金属铜金刚石切削加工中的非均质特性,重点关注了晶界对表面创成的影响机制及其抑制策略;(2)研究了单晶硅和单晶碳化硅金刚石切削加工中的脆塑转变机理,重点关注了超声椭圆振动辅助切削加工技术对硬脆材料延性加工性能的提升;(3)研究了反应烧结碳化硅和铝基碳化硅金刚石切削加工中的各相材料协同加工变形机制,重点关注了振动辅助和切削路径对复合材料表面创成的影响规律.本文的研究成果为不同材料超光滑表面的超精密金刚石切削加工创成提供了理论依据.     

塑性加工技术的科学化与中国塑性加工技术的发展

本文总结了塑性加工技术的发展现状,提出了材料塑性加工技术在新的世纪应该以现代科学技术为基础,实现由技术向科学的转变。塑性加工应以固体力学和材料物理为理论基础,宏观与微观相结合,实现理论基础的完善和飞跃。以计算力学和软件科学为工具实现塑性加工过程的虚拟化和可视化;以自动控制理论和计算机技术为工具实现工艺过程的自动化控制;采用新的能源、新的介质和加载方法开发瓣析塑性加工工艺;以汽车、电子电器和航空航天等工业为需求,研究新材料和新产品的塑性加工工艺。     

水平梯度表面能材料表面上的液滴运动

通过化学气相沉积的方法（CVD），利用十二烷基三氯硅烷（C₁₂H₂₅Cl₃Si）在硅基板表面上的自扩散方式，形成单分子自聚合薄膜（SAMs），在硅基板上制取了梯度表面能表面。采用原子力显微镜（AFM）对梯度表面能材料表面微观结构进行了测量。通过躺滴法，获得了梯度表面能材料水平表面上的微量液滴接触角的分布，并以此表征材料表面能的分布。使用高速摄像仪对液滴在水平放置的梯度表面能材料表面上的运动规律进行了测量。实验表明     

水平梯度表面能材料表面上的液滴运动

通过化学气相沉积的方法（CVD），利用十二烷基三氯硅烷（C12H25Cl3Si）在硅基板表面上的自扩散方式，形成单分子自聚合薄膜，在硅基板上制取了梯度表面能表面．采用原子力显微镜对梯度表面能材料表面微观结构进行了测量．通过躺滴法，获得了梯度表面能材料水平表面上的微量液滴接触角的分布，并以此表征材料表面能的分布．使用高速摄像仪对液滴在水平放置的梯度表面能材料表面上的运动规律进行了测量．实验表明：水平放置的梯度表面能材料表面可驱使液滴从憎水侧向亲水侧迁移，单个液滴的运动速度最大可达40mm／s,液滴在梯度表面能材料表面的运动一般可分为加速运动区和减速运动区；当液滴峰值速度较小而减速运动较大时，液滴运动会呈现蠕动的现象．     

面向原子级表面制造的等离子体诱导原子选择刻蚀技术

制造正从以经验技能为基础的制造Ⅰ和以经典理论为基础的制造Ⅱ迈向以量子理论为基础的制造Ⅲ.尽管制造的这三个范式出现在不同历史阶段,但它们将并存,甚至在未来可遇见的时期内,制造Ⅱ还依然起主导作用.其中制造Ⅲ的核心领域将是原子及近原子尺度制造(ACSM),涵盖制造的精度、结构尺寸及材料去除、迁移、增加的尺度.原子级的表面制造是ACSM发展的一个重要领域.本文将介绍一种基于等离子体诱导原子选择刻蚀原理(plasma-induced atom-selective etching, PASE)的原子级表面制造技术.晶体表面不同成键状态的原子在等离子体刻蚀反应中具有不同的反应优先等级,而这种反应优先级的调控可通过改变等离子体活性粒子成分、浓度、温度等来实现.因而, PASE技术可以选择性去除材料表面的多余原子,并最终实现原子级表面的创成. PASE技术已成功应用于Si, SiC, Al₂O₃等硬脆单晶材料的抛光,采用CF₄-O₂等离子体,可直接实现上述材料研磨表面(S_a>100 nm)...     

低维半导体结构材料及其器件应用研究进展

人们预测,到２０１０年,以硅材料为核心的当代微电子技术的ＣＭＯＳ逻辑电路图形尺寸将达到０．０５微米或更小。到达这个尺寸后,一系列来自器件工作原理和工艺技术自身的物理限制以及制造成本大幅度提高等将成为难以克服的问题。从某种意义上说,这就是硅微电子技术的“极限”。为迎接硅微电子技术的“极限”的挑战,满足人类社会不断增长的对更大信息量的需求,近年来,基于低维半导体结构材料的量子力学效应（如“量子尺寸效应     

基于铝诱导结晶的多晶硅薄膜材料结构优化

基于铝诱导结晶化（AIC）方法,研究了不同溅射材料结构对多晶硅薄膜形成过程和材料特性的影响.首先利用射频溅射Si和直流溅射Al的方法,分别在普通玻璃衬底上沉积Si/Al/Glass,Al/Si/Glass,Si/Al/L/Si/Al/Glass三种不同结构的薄膜材料.采用相同的低温退火（500℃）工艺,对上述薄膜进行了多组时间下的退火Al诱导结晶处理.对退火处理后的样品去除表面多余Al之后进行了X射线衍射、电子显微镜表面观察和霍耳迁移率测试,分析其晶体质量特性和电学特性.结果表明,在足够长时间下,3种结构均可成功实现AIC多晶硅薄膜,其中采用多重周期性结构的薄膜结晶速度最快,并得到更优的结晶效果.     

哈开发出新型油吸附材料

哈萨克斯坦专家最近开发出一种有磁性、重量轻的新型油吸附材料,该材料能有效清除泄漏在水中的石油,而且易于回收利用。据俄罗斯《科学信息》杂志报道,新型油吸附材料由哈萨克斯坦燃烧问题研究所开发而成。他们利用每分钟12 0 0转的粉碎机将石英沙磨碎,并在此过程中向石英沙中添加乙醇、丁醇、聚苯乙烯和乙撑二醇等有机物,结果获得了重量轻、多孔而带有磁性的油吸附材料。专家认为,在磨沙过程中粉碎机本身被磨下来的少量铁粒会混入乙醇等有机物,形成金属聚合膜,包围在被磨碎的小石英沙粒表面,从而使其获得磁性。试验证明,这种新型油吸附材料…     

碳基纳电子材料与器件

现代信息技术的基石是集成电路芯片,而构成集成电路芯片的器件中约90%是源于硅基CMOS（complementary metal-oxide-semiconductor,互补金属-氧化物-半导体）技术.经过半个世纪奇迹般的发展,硅基CMOS技术即将进入14 nm技术节点,并将在2020年之前达到其性能极限,后摩尔时代的纳电子科学与技术的研究变得日趋急迫.目前包括IBM在内的很多企业认为,微电子工业走到8 nm技术节点时可能不得不面临放弃继续使用硅作为支撑材料,之后非硅基纳电子技术的发展将可能从根本上影响到未来芯片和相关产业的发展.在为数不多的几种可能的替代材料中,碳基纳米材料——特别是碳纳米管和石墨烯,被公认为是最有希望替代硅的材料.北京大学碳电子研究团队最新研究结果表明,在14 nm技术节点碳纳米管晶体管的速度和功耗均较硅基器件有10倍以上的优势,进入亚10 nm技术节点后这种优势还将继续加大.2013年9月,美国斯坦福大学研究组在《自然》杂志以封面文章的形式报道制造出了世界上首台碳纳米管计算机.2014年7月1日《MIT技术评论》报道IBM宣布由碳纳米管构成的比现有芯片快5倍的芯片将于2020年之前成型.基于碳纳米管的集成电路技术不再是遥不可及的梦想,现代信息科技与产业的支撑材料正加速从硅到碳进行转变.相较欧美发达国家在2020年之后的非硅基纳米电子学研究领域的巨额投入,我国对非硅基技术尚无布局.为抢占下一代半导体技术战略制高点,建议尽快启动国家碳电子计划,用一个协调的方式来支持包括材料生长、器件制备、模拟和系统设计方面的研究,汇聚优势资源,系统推进碳基信息技术的成型和发展,奠定中国未来的纳电子产业基础.     

镁合金成形加工技术

本文介绍了镁及镁合金的特点,总结了镁合金在汽车制造、电子电器工业、航空航天、体育器材、办公用品、生活用品等方面的应用,指出了镁合金在材料、性能和加工制造方面的发展方向。讨论了镁合金的各种加工性能和环境影响,总结了镁合金塑性加工技术的最新进展。     

极间柔性多孔物充填型活动掩膜电解加工微坑技术

针对常规掩膜电解加工极难在非平面工件上高效制取表面织构的难题,在设计开发出进液、排液、导流等功能结构合为一体的特殊工具阴极的基础上,本文提出一种极间柔性多孔物充填型活动掩膜电解加工微坑技术,数值仿真并优化设计了极间流场,试验分析了掩膜厚度、极间电压、压紧力、脉冲参数等核心工艺参数对微坑几何特征及其分布特性的影响.基于优选工艺条件,分别在不锈钢平面与圆柱面上加工出几何特征尺寸分布较均匀的微坑阵列.极间柔性多孔物充填型活动掩膜电解加工对平面与曲面工件均能展现出较强的表面织构制备能力和适应性.     

铝锂合金高速铣削表面完整性实验研究

铝锂合金密度低、比强度高、比刚度高等优良特性使得其成为新一代航空航天飞行器的主要结构材料.飞机蒙皮作为维持飞机外形的主要结构件,在飞机起飞降落过程中承受舱内外压差变化所引起的交变载荷作用,因此对于蒙皮结构零件的疲劳强度要求十分苛刻.零件的疲劳裂纹萌生往往是从表面的微观缺陷开始,并且表层以及亚表层的力学状态将影响裂纹萌生以及扩展速度.表面完整性包括表面的几何轮廓、显微硬度、金相组织、残余应力等,这些因素综合影响着零件的疲劳性能.与此同时,表面完整性表征参数与被加工材料属性、热处理状态以及加工工艺等具有密切的联系.研究了铝锂合金的机械铣削加工工艺对于其表面完整性的影响.传统蒙皮结构加工往往采用化学铣削的方法进行,占用厂房面积大,污染严重,废液处理费用高等,不符合现代可持续绿色制造的理念.目前对于铝锂合金的超塑成形工艺研究较多却鲜见有相关铝锂合金切削表面完整方面的相关研究.研究在干切情况与液氮冷却情况下切削三要素以及上一道滚压工艺对于表面完整性的影响,通过正交试验的方法全面考察了工艺参数对于表面形貌各个指标、表层亚表层金相组织以及残余应力的影响权重,并且验证了其显著性.比较了干切与液氮低温切削情况下表面形貌以及残余应力状态的异同点,验证了液氮冷却切削对于铝锂合金表面完整性提升的有效性,为提高铝锂合金疲劳性能提供了实验依据.     

外延晶体硅薄膜太阳电池的量子效率和特性研究

为了澄清限制所制备的颗粒硅带上的晶体硅薄膜太阳电池效率的主要因素,对制备在颗粒硅带、经区熔(ZMR)后的颗粒硅带和单晶硅衬底上的外延晶体硅薄膜太阳电池进行了QE和Suns-Voc研究.结果表明,颗粒硅带上沉积的外延层的表面有一定的粗糙度,它不但增加了电池表面的漫反射,也使氮化硅减反射膜的结构变得疏松,最终影响了减反射膜的陷光效果;沉积在颗粒硅带上的硅活性层的晶体质量也较差,较重的晶界复合限制了少子扩散长度,使得制备在颗粒硅带上的硅薄膜太阳电池在长波方向上的光谱响应明显变坏.所制备的晶体硅薄膜太阳电池的暗特性参数值均不理想,电池性能尤其受到过高的暗饱和电流I02值和过低的并联电阻Rsh值的严重影响.高的I02值是由于结区硅活性层较差的晶体质量所导致的严重的晶界复合造成的,低的Rsh值被归结为电池经激光切割后未经钝化的裸露的PN结及电池边缘的漏电造成的.     

外延晶体硅薄膜太阳电池的量子效率和特性研究

为了澄清限制所制备的颗粒硅带上的晶体硅薄膜太阳电池效率的主要因素, 对制备在颗粒硅带、经区熔(ZMR)后的颗粒硅带和单晶硅衬底上的外延晶体硅薄膜太阳电池进行了QE和Suns-Voc研究. 结果表明, 颗粒硅带上沉积的外延层的表面有一定的粗糙度, 它不但增加了电池表面的漫反射, 也使氮化硅减反射膜的结构变得疏松, 最终影响了减反射膜的陷光效果; 沉积在颗粒硅带上的硅活性层的晶体质量也较差, 较重的晶界复合限制了少子扩散长度, 使得制备在颗粒硅带上的硅薄膜太阳电池在长波方向上的光谱响应明显变坏. 所制备的晶体硅薄膜太阳电池的暗特性参数值均不理想, 电池性能尤其受到过高的暗饱和电流102值和过低的并联电阻Rsh值的严重影响. 高的I02值是由于结区硅活性层较差的晶体质量所导致的严重的晶界复合造成的, 低的Rsh值被归结为电池经激光切割后未经钝化的裸露的PN结及电池边缘的漏电造成的.     

微生物细胞溶胶-凝胶法磁性化研究

以微生物细胞为模板可制备具有多样形状的磁性或导电微颗粒．本文探讨微生物细胞溶胶一凝胶法磁性化的可行性,以尺寸在微米级的具有天然螺旋形体的微生物材料螺旋藻的细胞为模板进行细胞溶胶．凝胶法包覆磁性材料铁氧体的工艺研究,并通过光学显微镜、扫描电镜、电子能谱、透射电镜、X射线衍射对其细胞形态、表层成分、相结构进行观察与分析．结果表明,螺旋藻细胞经溶胶．凝胶处理后表面能包覆上铁氧体材料;其天然螺旋形体可保持良好,得到的单体表面磁性层厚度、成分基本均匀,在文中试验条件下,细胞表层铁氧体为立方尖晶石结构的Fe3O4;还可观察到细胞内部有纳米颗粒产生,同时细胞间横壁也有沉积．还探讨了微生物细胞溶胶．凝胶法磁性化工艺过程的物理化学反应机理．     

新的隔音材料：Barrisol Microsorber

制造张力天花板的世界领先公司Barrisol最近研发了一种具有革新意义的产品 ,命名为BarrisolMicrosorber的隔音材料。这种隔音布是一种通过专门的共振来吸收声音的材料 ,也称作微孔吸音材料。从物理学角度来看 ,这种吸音材料的作用既诱人 ,又有效 :材料上微型的小孔能够将声能变成热能。由于禁闭在吸音材料和后壁之间的空气形成共振 ,空气在微孔里高密度的摩擦得到加强 ,由此而导致微孔吸音材料所具有的异乎寻常的声学特性。该隔音布的厚度为 18/ 10 0厘米 ,每平方米上带有两万五千个微孔 ,而微孔的总面积在隔音布总面积上不到 0 8%。它的…     

纳米级电子束光刻技术及ICP深刻蚀工艺技术的研究

对100kV高压电子束光刻系统的曝光工艺进行了系统研究,针对正性电子束抗蚀剂ZEP520A进行了工艺参数的优化,在具有合理厚度、可供后续加工的光刻胶上获得了占空比为1：1,线宽为50nm的光栅图形.针对ICP刻蚀工艺进行了深入研究,探讨了刻蚀腔体气压、电极功率、气体流量等工艺参数对刻蚀效果的影响,最终在硅基底上获得了线宽为100nm,占空比为1：1,深度为900nm的光栅图形,光栅的边壁波纹起伏小于5nm.100nm以下深硅刻蚀技术的发展,有利于工作区域在可见光范围的纳米光学器件的制备.     

高精度光学元件控时磨削方法研究

高精度、大口径光学元件的需求量与日俱增,传统铣磨-研抛-修形工艺路线因其较低的加工效率面临挑战.为提高光学元件制造效率,使其能快速达到最终修形工序的入口条件,本文将柔性砂带磨削工具引入光学确定性加工.通过研究光学元件控时磨削材料去除机理,提出一种新的材料去除方法,通过控制关键加工参数,成功获得了高效可控的去除函数.根据理论分析搭建了光学元件控时磨削样机,在一块200 mm×200 mm的平面微晶玻璃上进行控时磨削实验.结果表明面形误差由2.31μm PV、0.38μm RMS收敛至1.76μm PV、0.27μm RMS,过程用时仅53 min,效率为同尺寸磁流变抛光轮的10倍以上.控时磨削在修形同时可将微晶玻璃的毛面迅速抛亮,满足波面干涉测量要求.结果验证了光学元件高效控时磨削方法误差收敛的可行性,有望大幅缩短最终修形工艺前的研磨抛光加工周期.     

基于二维材料的压电光电子学器件

二维(2D)材料由于原子级超薄、可调带隙和优异的光电性质,在柔性光电子学领域有着巨大的潜力.利用应变诱导的压电势或压电极化电荷可以调控二维材料界面载流子的传输和光电过程,这种将压电、半导体特性、光激发三者耦合产生的压电光电子学效应推动了新型二维材料光电器件的开发,特别是压电光电子学增强的光电探测、光电化学、气体传感和太阳能电池等方向.本文简要综述了近年来二维材料在压电光电子学领域取得的研究进展,并对这一新兴领域未来的挑战和科学突破进行了展望.     

4D打印形状记忆聚合物材料的研究现状与应用前景

形状记忆聚合物材料是一种在外界环境刺激下可发生主动形状变化的智能材料.基于这种智能材料的可变形结构在航空航天/生物医学等诸多领域显示出了巨大的应用潜力.但传统加工工艺限制了这种智能结构设计的复杂性和灵活性.4D打印技术作为智能材料的增材制造技术为形状记忆聚合物材料的进一步发展提供了新的契机.同时,4D打印形状记忆聚合物材料结构的实现为柔性电子/智能机器人/微创医学等高科技产业带来了全新的,更具智能化的发展方向.本文首先综述了4D打印形状记忆聚合物材料近年来的国内外研究进展,总结了4D打印形状记忆聚合物的实现方式及材料性能,然后介绍了基于形状记忆聚合物材料4D结构在各领域的应用研究,最后指出了4D打印形状记忆聚合物材料存在的问题及未来发展方向.