Полирование элементов оптико-электронной техники из монокристаллического карбида кремния
Обоснована целесообразность применения полировальных суспензий из алмазных микропорошков, порошков нитрида бора и МАХ-фазы Ti₃AlС₂ при исследовании закономерностей полирования монокристаллического карбида кремния и использовании в качестве критериев эффективности процесса обработки приведенной велич...
Saved in:
| Published in: | Сверхтвердые материалы |
|---|---|
| Date: | 2015 |
| Main Authors: | , , , , , , , , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України
2015
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/126152 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Полирование элементов оптико-электронной техники из монокристаллического карбида кремния / Ю.Д. Филатов, А.Г. Ветров, В.И. Сидорко, А.Ю. Филатов, С.В. Ковалев, В.Д. Курилович, М.А. Данильченко, Т.А. Прихна, А.И. Боримский, А.М. Куцай, В.Г. Полторацкий // Сверхтвердые материалы. — 2015. — № 1. — С. 63-74. — Бібліогр.: 24 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860249858152071168 |
|---|---|
| author | Филатов, Ю.Д. Ветров, А.Г. Сидорко, В.И. Филатов, А.Ю. Ковалев, С.В. Курилович, В.Д. Данильченко, М.А. Прихна, Т.А. Боримский, А.И. Куцай, А.М. Полторацкий, В.Г. |
| author_facet | Филатов, Ю.Д. Ветров, А.Г. Сидорко, В.И. Филатов, А.Ю. Ковалев, С.В. Курилович, В.Д. Данильченко, М.А. Прихна, Т.А. Боримский, А.И. Куцай, А.М. Полторацкий, В.Г. |
| citation_txt | Полирование элементов оптико-электронной техники из монокристаллического карбида кремния / Ю.Д. Филатов, А.Г. Ветров, В.И. Сидорко, А.Ю. Филатов, С.В. Ковалев, В.Д. Курилович, М.А. Данильченко, Т.А. Прихна, А.И. Боримский, А.М. Куцай, В.Г. Полторацкий // Сверхтвердые материалы. — 2015. — № 1. — С. 63-74. — Бібліогр.: 24 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Сверхтвердые материалы |
| description | Обоснована целесообразность применения полировальных суспензий из алмазных микропорошков, порошков нитрида бора и МАХ-фазы Ti₃AlС₂ при исследовании закономерностей полирования монокристаллического карбида кремния и использовании в качестве критериев эффективности процесса обработки приведенной величины энергии переноса, плотности энергии переноса и плотности колебательной энергии, затрачиваемой на образование частиц шлама. В результате компьютерного моделирования микро- и нанопрофиля обработанной поверхности построены профилограммы, по которым определены значения параметров шероховатости и характерные соотношения, связывающие их с наиболее вероятным размером частиц шлама.
Обґрунтовано доцільність використання полірувальних суспензій з алмазних мікропорошків, порошків нітриду бору та МАХ-фази Ti₃AlС₂ при дослідженні закономірностей полірування монокристалічного карбіду кремнію та використанні в якості критеріїв ефективності процесу обробки приведеної величини енергії переносу, густини енергії переносу та густини коливальної енергії, що витрачається на утворення частинок шламу. В результаті комп’ютерного моделювання мікро- і нанопрофілю обробленої поверхні побудовано профілограми, за якими визначено значення параметрів шорсткості та характерні співвідношення, що зв’язують їх з найбільш імовірним розміром частинок шламу.
As a result of studies of regularities polishing monocrystal silicon carbide and use as criteria efficient processing of the presented energy transfer, the energy density and density transfer vibration energy expended on the formation of particles of sludge proved the feasibility of applying diamond polishing suspensions of micron powders, powders of boron nitride and MAX-phase Ti₃AlС₂. As a result of computer simulation surface of micro- and nanoprofile built profilograms, which values of roughness parameters and characteristic relations connecting them with the most probable size of sludge particles.
|
| first_indexed | 2025-12-07T18:42:10Z |
| format | Article |
| fulltext |
ISSN 0203-3119. Сверхтвердые материалы, 2015, № 1 63
УДК 621.623
Ю. Д. Филатов*, А. Г. Ветров, В. И. Сидорко,
А. Ю. Филатов, С. В. Ковалев, В. Д. Курилович,
М. А. Данильченко, Т. А. Прихна, А. И. Боримский,
А. М. Куцай, В. Г. Полторацкий (Киев)
*filatov@ism.kiev.ua
Полирование элементов оптико-электронной
техники из монокристаллического карбида
кремния
Обоснована целесообразность применения полировальных сус-
пензий из алмазных микропорошков, порошков нитрида бора и МАХ-фазы Ti3AlС2
при исследовании закономерностей полирования монокристаллического карбида
кремния и использовании в качестве критериев эффективности процесса обра-
ботки приведенной величины энергии переноса, плотности энергии переноса и
плотности колебательной энергии, затрачиваемой на образование частиц шла-
ма. В результате компьютерного моделирования микро- и нанопрофиля обрабо-
танной поверхности построены профилограммы, по которым определены зна-
чения параметров шероховатости и характерные соотношения, связывающие
их с наиболее вероятным размером частиц шлама.
Ключевые слова: полирование, частица шлама, энергия перено-
са, шероховатость.
ВВЕДЕНИЕ
Оптические детали и элементы оптико-электронной техники
из стекла, оптических и полупроводниковых кристаллов, оптической керами-
ки и других неметаллических материалов в современном производстве изго-
тавливают методами алмазно-абразивной обработки. Операции тонкого ал-
мазного и супертонкого шлифования их поверхностей осуществляют при
помощи функционально ориентированных алмазных инструментов со специ-
альной характеристикой и конструкцией рабочего слоя. Заключительную
операцию обработки – полирование – осуществляют в один или несколько
переходов в зависимости от требований, предъявляемых к обрабатываемой
поверхности. Полирование оптических деталей с требованиями по точности
формы N = 3–5 интерференционных колец, по шероховатости Ra = 0,01 мкм,
Rz = 0,05 мкм (ГОСТ 2789–73) и оптической чистоте – PIII–PV (ГОСТ 11141–
84) можно выполнить при помощи полировальных порошков в связанном
(инструмент типа Аквапол) или в свободном состоянии на полировальниках
из различных смол, пенополиуретана, металлов (олова и свинца), полимер-
ных или металлополимерных материалов. При этом тип полировального по-
рошка и вид материала полировальника в зависимости от физико-химических
свойств обрабатываемого материала выбирают исключительно на основе
экспериментальных данных. Полирование прецизионных поверхностей дета-
лей современных оптических и оптоэлектронных элементов из оптических и
полупроводниковых кристаллов, в том числе “труднообрабатываемых” мо-
© Ю. Д. ФИЛАТОВ, А. Г. ВЕТРОВ, В. И. СИДОРКО, А. Ю. ФИЛАТОВ, С. В. КОВАЛЕВ, В. Д. КУРИЛОВИЧ,
М. А. ДАНИЛЬЧЕНКО, Т. А. ПРИХНА, А. И. БОРИМСКИЙ, А. М. КУЦАЙ, В. Г. ПОЛТОРАЦКИЙ, 2015
www.ism.kiev.ua/stm 64
нокристаллов сапфира, карбида кремния, нитрида алюминия и нитрида гал-
лия, с более высокими требованиями по качеству обработанных поверхно-
стей, которые регламентируются стандартом U.S. Military Surface Quality
Specification, MIL-PRF-13830B, осуществляется, как правило, при помощи
микро- и нанопорошков абразивов в свободном состоянии с последующим
химико-механическим полированием.
Шероховатость обработанной поверхности является наиболее важным по-
казателем процесса финишной обработки прецизионных поверхностей дета-
лей электронной техники и оптических систем из неметаллических материа-
лов [1–5]. Она характеризует производительность процесса обработки и каче-
ство обработанных деталей, устанавливает их зависимость от размеров час-
тиц шлама и их концентрации в зоне контакта инструмента и детали [6, 7].
Улучшение качества обработки прецизионных поверхностей элементов оп-
тико-электронной техники из монокристаллического карбида кремния может
быть достигнуто только при использовании новых видов инструмента и по-
лировальных суспензий, а также многопереходных технологических процес-
сов, оптимизация характеристик которых является актуальной задачей.
Для определения производительности алмазно-абразивной обработки
прецизионных поверхностей оптических деталей и элементов оптико-
электронной техники традиционно используют модель съема обрабатываемо-
го материала при полировании, основанную на кластерной модели износа
взаимодействующих при трении поверхностей твердых тел [6–9], и физико-
статистическую модель образования и удаления с обрабатываемой поверхно-
сти частиц шлама [10]. Размеры этих частиц, их концентрацию в зоне контак-
та инструмента и обрабатываемой детали и характер взаимодействия с части-
цами износа и контактирующими поверхностями определяют как производи-
тельность механической обработки неметаллических материалов и интенсив-
ность износа инструмента на всех технологических операциях, так и состоя-
ние этих поверхностей [11, 12].
Целью исследования является изучение влияния физико-механических
свойств обрабатываемого материала и полировального порошка, режимных и
кинематических параметров процесса обработки на интенсивность съема
обрабатываемого материала и формирование микрорельефа обрабатываемой
поверхности.
ЗАКОНОМЕРНОСТИ СЪЕМА ОБРАБАТЫВАЕМОГО МАТЕРИАЛА
ПРИ ПОЛИРОВАНИИ ПЛОСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ЭЛЕМЕНТОВ
ИЗ МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО КАРБИДА КРЕМНИЯ
На основе кластерной модели износа [6, 7, 13] процесс съема обрабатывае-
мого материала при полировании карбида кремния можно рассматривать как
накопление энергии в критическом объеме – кластере, т. е. переходы кластера
в дискретном эквидистантном энергетическом спектре. С учетом многочастот-
ного режима взаимодействия поверхностей обрабатываемой детали и инстру-
мента, когда собственные колебания фрагментов происходят на частотах ω01l и
ω02k (l, k – порядковые номера частот, определяемых по ИК-спектрам поглоще-
ния), можно определить число возбужденных фрагментов (элементарных
групп SiС) 22
02
2
01
4
01
)( kl
l
lk ω−ω
ω=ξ , характерные частоты
)(2
3
0201
0201
kl
kl
lk ω+ω
ωω=ω , чис-
ло молекулярных фрагментов в кластере
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎣
⎡
ξ=ξ ∑
lk
lk и энергию кластера
ISSN 0203-3119. Сверхтвердые материалы, 2015, № 1 65
[ ]∑ ξω=
lk
lklcE h01 (где ħ = 1,054⋅10–34 Дж·с – постоянная Планка). Обрабатывае-
мый материал отделяется от поверхности в виде частицы шлама только тогда,
когда энергия кластера Ec превысит энергию связи SiС (Eb = 3,24 эВ [14]). Рас-
пределение частиц шлама по размерам описывается распределением Пуассона
с параметром ν = Eb/Ec, а вероятность образования частиц шлама пропорцио-
нальна νexp(–ν) [7, 13]. Диэлектрические проницаемости εl обрабатываемого и
εk инструментального материалов определяются на характерных частотах ωlk, а
константа Лифшица AL = ħω123 рассчитывается в соответствии с формулой
Ω
ε+ωεε+ωε
ε−ωεε−ωε=ω ∫
ω
ω
d
lklk
lklk
2
1
])(][)([
])(][)([
3231
3231
123 , (Ω ∈ [ω1; ω2], ω1 и ω2 – минимальная и
максимальная частоты в ИК-спектрах).
Для политипа 6H-SiC расстояния между соседними поверхностными мо-
лекулами и между молекулярными слоями определяются постоянными ре-
шетки a = 0,3073 нм и c = 1,511 нм [14]). Площадь поверхности i-ой частицы
шлама определяется как Si = S0 (i + 1) (где Ni ,1= , N – число выборок, S0 –
площадь поверхности кластера, которая зависит от структуры обрабатывае-
мого материала и числа молекулярных фрагментов ξ). Необходимо отметить,
что площадь поверхности кластера существенно зависит от кристаллографи-
ческой ориентации плоскости монокристалла, которая подвергается полиро-
ванию. Рассматривая кристаллы с гексагональной структурой, можно опре-
делить каким образом из отдельных молекулярных фрагментов складывают-
ся кластеры, которые, отрываясь от обрабатываемой поверхности, превра-
щаются в частицы шлама. При полировании плоскости [0001] число молеку-
лярных фрагментов определяется в проекциях на оси координат x, y и z соот-
ветствующими межплоскостными расстояниями a, a и c/6, число молекуляр-
ных фрагментов ξ = k1k2k3, а минимальная площадь поверхности частиц S0 =
3 3 a2k1k2 + (1/2)ack1k3 + (2/3)ack2k3.
Плоские поверхности элементов из карбида кремния (плотность ρ =
3,21 г/см3, коэффициент теплопроводности λ = 490 Вт/(м·К), статическая ди-
электрическая проницаемость – 6,5 [14]) полировали на шлифовально-
полировальном станке мод. 2ШП-200М при частоте вращения полировальни-
ка 90 об/мин, давлении прижима детали к инструменту 49,5 кПа, смещении
штриха 30 мм, длине штриха 50 мм и средней температуре в зоне контакта
300 K. Частоты собственных колебаний молекулярных фрагментов SiC, оп-
ределяемые по спектрам инфракрасного поглощения (ИК) или комбинацион-
ного рассеяния (КР), составляют ω01 = 15,0⋅1013 с–1 (794 см–1) и 18,9⋅1013 с–1
(1000 см–1) [15, 16]. Закономерности съема обрабатываемого материала при
полировании монокристаллического карбида кремния исследовали при ис-
пользовании специально приготовленных суспензий из алмазных микропо-
рошков (АСМ), порошков кубического нитрида бора (КМ) и порошков МАХ-
фазы Ti3AlС2 с различным зерновым составом [13, 17].
Производительность съема обрабатываемого материала при полировании
монокристаллического карбида кремния определяли через коэффициент η
объемного износа в зависимости от размеров d1(i) частиц шлама и концен-
трации i-х частиц шлама на поверхности, длины пути трения элемента обра-
батываемой поверхности по поверхности рабочего слоя инструмента, номи-
нального давления прижима инструмента к детали, скорости их относитель-
www.ism.kiev.ua/stm 66
ного перемещения, площади контакта, коэффициента теплопроводности об-
рабатываемого материала и температуры в контактной зоне [13].
Частоты собственных колебаний (ω02, см–1) молекулярных фрагментов по-
лировальных порошков алмаза – 1135 и 1332 [13], кубического нитрида бора
– 1056 и 1304 [18] и порошков МАХ-фазы Ti3AlС2 – 260, 420, 605, 1320 и
1590 [19]. Статическая диэлектрическая проницаемость полировальных по-
рошков алмаза – 5,7, cВN – 2,5 и Ti3AlС2 – 3,5 [20].
Анализ экспериментальных данных показал, что производительность съе-
ма монокристаллического карбида кремния зависит от числа фрагментов в
кластере, энергии кластера и наиболее вероятного размера частицы шлама
[13]. На рис. 1, 2 приведены зависимости производительности полирования
карбида кремния от коэффициентов объемного износа η и массового износа
ξw, характеризующих интенсивность съема обрабатываемого материала в
процессах механообработки [10]. Чем меньше величина этих коэффициентов,
тем меньше производительность съема обрабатываемого материала. Резуль-
таты расчета энергетических характеристик процессов образования и удале-
ния частиц шлама и съема обрабатываемого материала, а также эксперимен-
тальные данные по производительности съема монокристаллического SiC
приведены в таблице.
–11,5 –11,0 –10,5
0
1
2
3
4
Q ⋅10
12
, м
3
/с
lgη
Рис. 1. Зависимость производительности полирования карбида кремния от коэффициента
объемного износа: расчетные (—–) и экспериментальные (○) данные.
–8,0 –7,5 –7,0
0
1
2
3
4
Q ⋅10
12
, м
3
/с
lgξ
w
Рис. 2. Зависимость производительности полирования карбида кремния от коэффициента
массового износа: расчетные (—–) и экспериментальные (○) данные.
На рис. 3 приведена зависимость производительности полирования карби-
да кремния от энергии переноса W = λT/ξw (Дж/кг), которая характеризует
энергию, переносимую частицами шлама с обрабатываемой поверхности в
контактную зону. Полученная зависимость в логарифмических координатах
линейная: lgQ = – a1lgW + b1 (a1 = 0,99 ≈ 1, b1 = 0,31 – коэффициенты, опреде-
ленные при помощи метода наименьших квадратов). Из этого следует, что
ISSN 0203-3119. Сверхтвердые материалы, 2015, № 1 67
производительность полирования монокристаллического карбида кремния
обратно пропорциональна энергии переноса и может быть описана прибли-
женной зависимостью Q = k1/ρW (k1 = 6,6·103 Вт).
Результаты расчета производительности полирования и параметров
шероховатости поверхностей элементов из монокристаллического
карбида кремния и данные эксперимента
Параметры взаимодействия
SiС с полировальным
порошком
Полировальный порошок
АСМ (1) КМ (2) Ti3AlС2 (3) Ti3AlС2 (4)
Наиболее вероятный
размер частицы шлама av, нм
2,5 2,6 2,3 2,3
Энергия переноса W, Дж/кг 5,9·1011 1,5·1012 1,2·1013 2,5·1013
Плотность энергии переноса σ,
Дж/м2
1,7·106 4,4·106 3,2·107 6,6·107
Плотность колебательной
энергии γ, Дж/м2
1,0·10–4 1,6·10–5 4,2·10–4 4,2·10–4
Производительность обработки
Q, м3/с
4,39·10–12 1,59·10–12 2,1·10–13 1,0·10–13
Экспериментальная величина
производительности съема SiC:
мг/мин
мкм/мин
м3/с
Погрешность расчета, %
0,84
0,26
4,38·10–12
0,1
0,28
0,01
1,47·10–12
8,1
0,05
0,015
2,4·10–13
14,0
0,02
0,006
9,3·10–14
10,4
Шероховатость обработанной
поверхности:
Ra, нм
Rmax, нм
Rmax/Ra
Ra/av
Rmax/av
5,5±0,1
8,6±0,9
1,56
1,7
3,9
5,6±0,5
8,0±1,5
1,42
2,0
3,5
4,7±0,1
7,1±0,6
1,51
2,0
3,1
4,9±0,2
7,0±0,5
1,44
2,1
3,1
11,5 12,0 12,5 13,0
–13
–12
lgQ
lgW
Рис. 3. Зависимость производительности полирования монокристаллического карбида
кремния от энергии переноса: расчетные (—–) и экспериментальные (○) данные.
Величина энергии переноса W зависит не только от режимных и кинема-
тических параметров процесса обработки, характеристик полировального
www.ism.kiev.ua/stm 68
порошка, смачивающе-охлаждающей технологической среды, а и от коэффи-
циента теплопроводности обрабатываемого материала. Поэтому пользуются
величиной приведенной энергии переноса W0 = (λK8/λ)W, которая характери-
зует участие частиц шлама в передаче тепловой энергии при обработке кар-
бида кремния по отношению к процессу обработки эталонного материала –
оптического стекла марки К8, у которого λK8 = 0,95 Вт/(м·К) [13].
На рис. 4 приведена зависимость производительности полирования карби-
да кремния от плотности энергии переноса σ = WρVs/Ss (Дж/м2), которая пока-
зывает затраты механической энергии на удаление с обрабатываемой поверх-
ности одной частицы шлама объемом Vs с площадью поверхности Ss. Полу-
ченная зависимость в логарифмических координатах линейная: lgQ = a2lgσ +
b2 (a2 ≈ –1, b2 = –5,2 – коэффициенты, определенные при помощи метода
наименьших квадратов). Из этого следует, что производительность полиро-
вания монокристаллического карбида кремния обратно пропорциональна
энергии, затрачиваемой на удаление частиц износа с обрабатываемой по-
верхности, и определяется формулой Q = k2/σ (k = 6,2·10–6 Вт·м). Следует
отметить, что производительность полирования карбида кремния не корре-
лирует с плотностью колебательной энергии γ = AL/Ss, Дж/м2, которая опре-
деляется константой Лифшица AL и показывает затраты энергии на образова-
ние одной частицы шлама с площадью поверхности Ss (см. таблицу).
6,0 6,5 7,0 7,5
–13
–12
lgQ
lgσ
Рис. 4. Зависимость производительности полирования карбида кремния от энергии, затра-
чиваемой на удаление частиц шлама с обрабатываемой поверхности σ: расчетные (—–) и
экспериментальные (○) данные.
На рис. 5 приведена диаграмма, на которой в логарифмическом масштабе
представлены значения приведенной энергии переноса, характерные для
процессов полирования монокристаллического карбида кремния при помощи
суспензий исследуемых порошков 1–4 (нумерация в соответствии с табли-
цей). Прямые линии lgW0 = 10 и lgW0 = 9, соответствующие классическому
процессу полирования оптических поверхностей и процессу супертонкого
шлифования, приведенные на диаграмме, позволяют выделить характерные
зоны: 1 – супертонкое шлифование; 2 – полирование [13]. Приведенные ве-
личины энергии переноса, представленные на рис. 5, позволяют заключить,
что полирование монокристаллического карбида кремния целесообразно
осуществлять в несколько переходов, а именно: 1 – грубое полирование, со-
ответствующее традиционному процессу супертонкого шлифования; 2 –
предварительное полирование; 3 – полирование; 4 – нанополирование.
Сравнение результатов расчета производительности полирования плоских
поверхностей элементов из монокристаллического карбида кремния при по-
мощи суспензий из различных полировальных порошков с эксперименталь-
ными данными показало их хорошую сходимость (отклонение расчетных и
ISSN 0203-3119. Сверхтвердые материалы, 2015, № 1 69
экспериментальных результатов составило 0,1–14,0 %, см. таблицу), что яв-
ляется подтверждением правомочности применения обобщенной модели
образования и удаления частиц шлама и использования в качестве критерия
для оценки эффективности процесса полирования приведенной величины
энергии переноса.
1 2 3 4
9
10
1
2
lgW
0
Рис. 5. Приведенная величина энергии переноса при полировании монокристаллического
карбида кремния.
ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ МИКРО- И НАНОПРОФИЛЯ
ПОВЕРХНОСТЕЙ ЭЛЕМЕНТОВ ИЗ МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО
КАРБИДА КРЕМНИЯ
Анализ закономерностей образования и удаления частиц шлама при фи-
нишной обработке неметаллических материалов в рамках физико-статисти-
ческой модели [7, 10] показал, что размеры частиц, образующихся в процессе
полирования, удовлетворяют неравенству di < Rmax, в отличие от частиц,
образующихся при шлифовании, размер которых di > Rmax. На основе этого
можно считать, что удаление обрабатываемого материала при шлифовании и
полировании неметаллических материалов является результатом процессов
диспергирования микрочастиц и наночастиц соответственно. Размеры этих
частиц, их концентрация в контактной зоне и характер взаимодействия с час-
тицами износа и контактирующими поверхностями инструмента и детали
определяют шероховатость обработанных поверхностей.
При исследовании влияния частиц шлама на формирование микрорельефа
поверхности при алмазном шлифовании показано, что микрорельеф поверх-
ности формируется в два этапа: на первом – в результате хрупкого разруше-
ния поверхностного слоя образуется поверхность с равновесной шероховато-
стью, на втором – изнашиваются наибольшие выступы шероховатой поверх-
ности под действием потока частиц шлама. Параметры микропрофиля
уменьшаются на величину эрозионного износа в направлении от периферий-
ных зон к центральной (Ra уменьшается в 1,5 раза) [21]. При исследовании
закономерностей рассеяния частиц износа инструмента в процессе полирова-
ния установлено, что вероятность их рассеяния на частицах шлама и частицах
износа максимальна при рассеянии вперед на центральных участках контакт-
ной зоны, а координатная зависимость высоты микропрофиля обрабатывае-
мой поверхности определяется дифференциальным сечением и телесным
углом рассеивания, размером частиц износа инструмента и наиболее вероят-
ным размером частиц шлама [8, 22], а также показано, что частицы шлама и
www.ism.kiev.ua/stm 70
частицы износа образуют фрагменты налета на обрабатываемой поверхности
[11, 12].
На основе результатов исследования механизма формирования шерохова-
тости обрабатываемой поверхности при алмазном шлифовании [23] разрабо-
тан метод компьютерного моделирования ее микропрофиля [24], который
обеспечивает хорошую сходимость результатов расчета высоты микронеров-
ностей с данными эксперимента. При условии di > Rmax высота микронеров-
ностей обработанной поверхности определяется по отношению к средней
линии профилограммы и пропорциональна поверхностной плотности частиц
шлама, т. е. квадрату модуля функции состояния кластера |ψ|2, м–1, в соответ-
ствии с формулой z(x) = k|ψ|2 [23, 24], а коэффициент пропорциональности
определяется квадратом половины размера частицы шлама (di/2)2.
Для расчета высоты неровностей профиля обрабатываемой поверхности
при условии di ≤ Rmax, когда линии выступов и впадин практически совпа-
дают со средней линией профилограммы, коэффициент пропорциональности
в формуле для расчета микропрофиля z(x) следует определять как di
2. Тогда
функция, определяющая высоту микронеровностей поверхности в процессе
полирования (при условии di > Rmax) в зависимости от координаты (вдоль
базовой линии), выражается формулой
∑
−
≥
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛ −Φ+⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
Φ=
1
1
22
0
2
0 )(
)(
)(
)()(
0
G
i i
i
kikk kd
yzkdC
kd
zkdxz
ii
, (1)
где
( )
( ) )(
)(
12
12
0
00
kd
kd
k
k
C i
ik
k
k
i
i +Φ
+Φ
= – постоянные, обеспечивающие “сшивку”
функций состояния кластеров;
2
)(12
2
)(
1
0 i
i
i
ii
kdkkdy ∑
≥
++= – смещение
функций состояния кластера; ki = M,1 – индексы, определяющие случайную
последовательность образования частиц шлама размером di, M – число групп
частиц шлама; )(]2![)( 22
1 2
xHekx k
x
k
k
−−
π=Φ – функции параболического
цилиндра, Hk(x) – полиномы Эрмита.
Для расчета микропрофиля обрабатываемой поверхности по формуле (1)
необходимо и достаточно определить размеры частиц шлама d(ki) = [S0(ki +
1)/π]1/2 и функцию их распределения по размерам (распределение Пуассона
P(i, ν)). Метод компьютерного моделирования микрорельефа поверхностей
деталей из неметаллических материалов при полировании включает следую-
щие процедуры. Сначала определяется число групп частиц шлама M, исходя
из условия, что содержание наиболее крупных из них не превышает 1 %.
Затем, полагая, что в группе M только одна частица шлама с максимальным
размером, определяется число частиц в каждой группе =)( ikk
),(dpois/),(dpois νν Mki и общее число частиц шлама G = round ∑
ik
ikk )( .
Базовая длина для моделирования профилограммы определяется как L =
)()( i
k
i kdkk
i
∑ . При применении метода Монте-Карло в качестве входной слу-
чайной величины используется последовательность чисел ki = rpois(G, ν),
которая генерируется компьютером в программе Mathcad в соответствии с
ISSN 0203-3119. Сверхтвердые материалы, 2015, № 1 71
распределением P(i, ν). По формуле (1) определяется высота микронеровно-
стей профиля поверхности Z(x) на участке ],0[ Lx∈ , которые возникают
вследствие образования частиц шлама Gj ,1= . На рис. 6 приведена модель-
ная профилограмма плоской поверхности элемента из монокристаллического
карбида кремния после полирования суспензией из алмазного микропорошка
АСМ 2/1.
По модельным профилограммам, полученным методом компьютерного
моделирования микро- и нанорельефа полированной поверхности, определя-
ли высотные параметры шероховатости: среднее арифметическое отклонение
профиля ∫=
L
dxxZ
L
Ra
0
)(1 и наибольшую высоту профиля Rmax. В результате
компьютерного моделирования при усреднении параметров шероховатости
по пяти модельным профилограммам получены значения Ra, Rmax, величины
их отношения Rmax/Ra, а также коэффициенты ka = Ra/av и km = Rmax/av (см.
таблицу).
10 20 30 40 x, нм
0
2
4
6
8
10
Z(x), нм
Рис. 6. Профилограмма поверхности элемента из монокристаллического карбида кремния.
На рис. 7 приведена зависимость наиболее вероятного размера частиц
шлама от плотности колебательной энергии, затрачиваемой на образование
частиц износа γ. Полученная зависимость может быть аппроксимирована
линейной функцией av = –γ/a3 + b3 (a3 ≈ 1,4·106 Дж/м3, b3 ≈ 2,6 нм – коэффи-
циенты, определенные методом наименьших квадратов, погрешность ап-
проксимации – 1,2 %). Из этого следует, что чем меньше площадь поверхно-
сти Ss и наиболее вероятный размер частиц шлама, тем больше энергии необ-
ходимо затратить на их образование.
0 1 2 3 γ 10
4
, Дж/м
2
2,3
2,4
2,5
2,6
a
v
, нм
Рис. 7. Зависимость наиболее вероятного размера частиц шлама от энергии, затрачиваемой
на образование частиц износа γ: экспериментальные (○) данные и их апроксимация (—–).
www.ism.kiev.ua/stm 72
На рис. 8 представлены зависимости параметров шероховатости Rmax и
Ra от наиболее вероятного размера частиц шлама av. Эти зависимости могут
быть аппроксимированы линейными функциями Rmax = kmav + b4 (km ≈ 3,4,
b4≈ 0,6 нм – коэффициенты, погрешность аппроксимации 4,9 %, прямая 1) и
Ra = kaav + b5 (ka ≈ 2,0, b5 ≈ 0,2 нм – коэффициенты, погрешность аппрокси-
мации 3,2 %, прямая 2). Из этого следует, что при удалении с обрабатывае-
мой поверхности элемента из карбида кремния более мелких частиц шлама ее
высотные параметры шероховатости уменьшаются. Идеальная атомно-
гладкая поверхность монокристаллического карбида кремния, которая не
подвергается механическому или химико-механическому полированию (из
которой не удаляются частицы шлама), характеризуется параметрами шеро-
ховатости Ra ≈ 0,2 нм и Rmax ≈ 0,6 нм, величины которых соответствуют 1–2
межплоскостным расстояниям кристалла политипа 6H-SiC кристаллографи-
ческой ориентации [0001]. Следует также отметить, что при полировании
карбида кремния на 3–4 переходах (см. рис. 5) отношение коэффициентов km
и ka характеризуется величиной 1,48. Величина отношения Rmax/Ra, опреде-
ленная как частное от деления функции (2) на функцию (1) (см. рис. 7), прак-
тически не зависит от наиболее вероятного размера частиц шлама и имеет
такое же значение 1,5±0,1 (6,7 %).
2,3 2,4 2,5 2,6 a
v
, нм
5
6
7
8
Rmax, нм
Ra, нм
1
2
Рис. 8. Зависимости параметров шероховатости Rmax (1) и Ra (2) от наиболее вероятного
размера частиц шлама: экспериментальные (□, ○) данные и их апроксимация (—–).
Для процесса полирования монокристаллического карбида кремния (при
условии di ≤ Rmax) можно использовать приближенные соотношения, харак-
теризующие процессы формирования микро- и нанопрофиля обработанной
поверхности: Ra = 2,0av; Rmax = 3,4av и Rmax/Ra = 1,5. Для процессов шли-
фования неметаллических материалов (при условии di > Rmax) эти характер-
ные соотношения имеют следующий вид [23]: Ra = 0,04av, Rmax = 0,29av и
Rmax/Ra = 7,25. Сравнивая эти соотношения для процессов шлифования и
полирования, можно заключить, что коэффициенты km и ka уменьшаются в
10–50 раз, что позволяет говорить о принципиальных отличиях в механизмах
съема обрабатываемого материала и формирования микро- и нанорельефа
обрабатываемой поверхности.
Шероховатость обрабатываемой поверхности в процессе полирования
формируется вследствие образования и удаления частиц шлама, наиболее
вероятный размер которых зависит от плотности колебательной энергии,
ISSN 0203-3119. Сверхтвердые материалы, 2015, № 1 73
определяемой диэлектрическими и спектроскопическими характеристиками
не только обрабатываемого материала, а и полировального порошка и техно-
логической жидкости. Причем, чем больше энергии затрачивается на образо-
вание частиц шлама, тем меньше их размеры и тем меньше значения пара-
метров шероховатости Rmax и Ra.
ВЫВОДЫ
В результате теоретических и экспериментальных исследований законо-
мерностей процесса полирования монокристаллического карбида кремния
показано, что в качестве критериев эффективности процесса полирования
целесообразно использовать приведенную величину энергии переноса, плот-
ность энергии переноса и плотность колебательной энергии, затрачиваемой
на образование частиц шлама.
Полировать плоские поверхности элементов оптико-электронной техники
из монокристаллического карбида кремния следует в несколько переходов,
последовательно выполняя процессы грубого полирования, предварительно-
го полирования, полирования и нанополирования.
В результате компьютерного моделирования микро- и нанопрофиля обра-
ботанной поверхности построены профилограммы, по которым определены
значения высотных параметров шероховатости Ra и Rmax. Для процесса поли-
рования монокристаллического карбида кремния выполняются приближенные
соотношения, характеризующие процессы формирования микро- и нанопро-
филя обработанной поверхности: Ra = 2,0av, Rmax = 3,4av и Rmax/Ra = 1,5.
Обґрунтовано доцільність використання полірувальних суспензій з ал-
мазних мікропорошків, порошків нітриду бору та МАХ-фази Ti3AlС2 при дослідженні
закономірностей полірування монокристалічного карбіду кремнію та використанні в
якості критеріїв ефективності процесу обробки приведеної величини енергії переносу,
густини енергії переносу та густини коливальної енергії, що витрачається на утворення
частинок шламу. В результаті комп’ютерного моделювання мікро- і нанопрофілю оброб-
леної поверхні побудовано профілограми, за якими визначено значення параметрів шорст-
кості та характерні співвідношення, що зв’язують їх з найбільш імовірним розміром
частинок шламу.
Ключові слова: полірування, частинка шламу, енергія переносу,
шорсткість.
As a result of studies of regularities polishing monocrystal silicon carbide
and use as criteria efficient processing of the presented energy transfer, the energy density and
density transfer vibration energy expended on the formation of particles of sludge proved the
feasibility of applying diamond polishing suspensions of micron powders, powders of boron
nitride and MAX-phase Ti3AlC2. As a result of computer simulation surface of micro- and
nanoprofile built profilograms, which values of roughness parameters and characteristic
relations connecting them with the most probable size of sludge particles.
Keywords: polishing, slime particles, energy transfer, roughness.
1. Филатов Ю. Д., Сидорко В. И., Филатов А. Ю. и др. Шероховатость поверхностей при
финишной алмазно-абразивной обработке // Сверхтв. материалы. – 2009. – № 3. –
С. 68–74.
2. Filatov Y. D., Sidorko V. I., Filatov O. Yu. et al. Surface quality control in diamond abrasive
finishing // Optical Measurement Systems for Industrial Inspection VI., Proc. SPIE. – 2009. –
7389, art. 73892O.
3. Филатов Ю. Д., Ящук В. П., Филатов А. Ю. и др. Оценка шероховатости и отражатель-
ной способности поверхностей изделий из неметаллических материалов при финишной
алмазно-абразивной обработке // Сверхтв. материалы. – 2009. – № 5. – С. 70–81.
www.ism.kiev.ua/stm 74
4. Filatov Yu. D., Filatov O. Yu., Heisel U. et al. In situ control of roughness of processed surfaces
by reflectometric method // Optical Micro- and Nanometrology III, Proc. of SPIE. – 2010. –
7718, art. 77181J.
5. Filatov O. Yu., Poperenko L. V. In situ ellipsometry of surface layer of nonmetallic transparent
materials during its finish processing // Appl. Surf. Sci. – 2006. – 253, N 1. – P. 163–166.
6. Филатов Ю. Д. Полирование алюмосиликатных материалов инструментом со свя-
занным полировальным порошком // Сверхтв. материалы. – 2001. – № 3. – С. 36–49.
7. Филатов Ю. Д. Полирование прецизионных поверхностей деталей из неметаллических
материалов инструментом со связанным полировальным порошком // Там же. – 2008. –
№ 1. – С. 59–66.
8. Filatov Y. D., Filatov O. Y., Monteil G. et al. Bound-abrasive grinding and polishing of surfac-
es of optical materials // Optical Eng. – 2011. – 50, art. 063401–063401–7.
9. Filatov Y. D., Filatov O. Yu., Monteil G. et al. Bound-abrasive grinding and polishing of sur-
faces of optical materials // Current Developments in Lens Design and Optical Engineering
XI; and Advances in Thin Film Coatings VI., Proc. of SPIE. – 2010. – 7786, art. 778613.
10. Филатов Ю. Д., Сидорко В. И. Статистический подход к износу поверхностей деталей
из неметаллических материалов при полировании // Сверхтв. материалы. – 2005. – № 1.
– С. 58–66.
11. Филатов А. Ю., Сидорко В. И. Локализация фрагментов налета на обрабатываемой
поверхности при полировании неметаллических материалов // Там же. – 2011. – № 5. –
С. 73–87.
12. Filatov, Yu. D., Monteil G., Sidorko V. I., Filatov O. Yu. Formation of a deposit on workpiece
surface in polishing nonmetallic materials // Smart Sensors, Actuators, and MEMS VI. Proc.
SPIE. – 2013. – 8763, art. 876336.
13. Филатов Ю. Д., Ветров А. Г., Сидорко В. И. и др. Закономерности финишной алмазно-
абразивной обработки монокристаллического карбида кремния // Сверхтв. материалы. –
2013. – № 5. – С. 63–71.
14. Properties of silicon carbide edited by gary lynn harris. – London, UK: INSPEC, Institution
of Electrical Engineers, 1995. – 289 p.
15. Золотарев В. М. Высокотемпературная спектральная излучательная способность SiC в
ИК области // Оптика и спектроскопия. – 2007. – 103, № 4. – С. 609–619.
16. Тарала В. А. Влияние условий осаждения на состав и структуру пленок карбида кремния
// Конденсированные среды и межфазные границы. – 2011. – 13, № 3. – С. 348–357.
17. Прихна Т. А., Старостина А. В., Лицкендорф Д. и др. Исследование стойкости к
окислению, механических характеристик материалов на основе МАХ-фаз систем Ti–
Al–(C,N) и возможности их использования в качестве инструментальных связок и для
полирования // Сверхтв. материалы. – 2014. – № 1. – С. 14–26.
18. Файнер Н. И., Косинова М. Л., Румянцев Ю. М. Тонкие пленки карбонитридов кремния и
бора: синтез, исследование состава и структуры // Рос. хим. ж. об-ва им. Д. И. Менделее-
ва. – 2001. – XLV, № 3. – С. 101–108.
19. Lohse B. H., Salka A., Wexlerl D. Raman spectroscopy as a tool to study TiC formation dur-
ing controlled ball milling // J. Appl. Phys. – 2005. – 97, art. 114912.
20. Haddad N., Garcia-Caurel E., Hultman L. et al. Dielectric properties of Ti2ALC and Ti2AlN
MAX phases: The conductivity anisotropy // Ibid. – 2008. – 104, art. 023531.
21. Филатов А. Ю., Сидорко В. И., Филатов Ю. Д. Особенности формирования макро- и
микрорельефа плоских поверхностей деталей из неметаллических материалов при
алмазном шлифовании // Сверхтв. материалы. – 2007. – № 6. – С. 48–57.
22. Филатов Ю. Д., Филатов А. Ю., Сирота О. О. и др. Влияние рассеяния частиц износа
инструмента в контактной зоне на формирование микропрофиля обработанной
поверхности при полировании кварца // Там же. – 2010. – № 6. – С. 68–77.
23. Филатов Ю. Д. Механизм образования микрорельефа поверхности при обработке
стекла // Там же. – 1991. – № 5. – С. 61–65.
24. Филатов Ю. Д., Рогов В. В., Громов К. С. Шероховатость поверхности при обработке
стекла // Там же. – 1993. – № 4. – С. 42–46.
Ин-т сверхтвердых материалов Поступила 13.07.14
им. В. Н. Бакуля НАН Украины
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-126152 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0203-3119 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T18:42:10Z |
| publishDate | 2015 |
| publisher | Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Филатов, Ю.Д. Ветров, А.Г. Сидорко, В.И. Филатов, А.Ю. Ковалев, С.В. Курилович, В.Д. Данильченко, М.А. Прихна, Т.А. Боримский, А.И. Куцай, А.М. Полторацкий, В.Г. 2017-11-16T15:23:14Z 2017-11-16T15:23:14Z 2015 Полирование элементов оптико-электронной техники из монокристаллического карбида кремния / Ю.Д. Филатов, А.Г. Ветров, В.И. Сидорко, А.Ю. Филатов, С.В. Ковалев, В.Д. Курилович, М.А. Данильченко, Т.А. Прихна, А.И. Боримский, А.М. Куцай, В.Г. Полторацкий // Сверхтвердые материалы. — 2015. — № 1. — С. 63-74. — Бібліогр.: 24 назв. — рос. 0203-3119 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/126152 621.623 Обоснована целесообразность применения полировальных суспензий из алмазных микропорошков, порошков нитрида бора и МАХ-фазы Ti₃AlС₂ при исследовании закономерностей полирования монокристаллического карбида кремния и использовании в качестве критериев эффективности процесса обработки приведенной величины энергии переноса, плотности энергии переноса и плотности колебательной энергии, затрачиваемой на образование частиц шлама. В результате компьютерного моделирования микро- и нанопрофиля обработанной поверхности построены профилограммы, по которым определены значения параметров шероховатости и характерные соотношения, связывающие их с наиболее вероятным размером частиц шлама. Обґрунтовано доцільність використання полірувальних суспензій з алмазних мікропорошків, порошків нітриду бору та МАХ-фази Ti₃AlС₂ при дослідженні закономірностей полірування монокристалічного карбіду кремнію та використанні в якості критеріїв ефективності процесу обробки приведеної величини енергії переносу, густини енергії переносу та густини коливальної енергії, що витрачається на утворення частинок шламу. В результаті комп’ютерного моделювання мікро- і нанопрофілю обробленої поверхні побудовано профілограми, за якими визначено значення параметрів шорсткості та характерні співвідношення, що зв’язують їх з найбільш імовірним розміром частинок шламу. As a result of studies of regularities polishing monocrystal silicon carbide and use as criteria efficient processing of the presented energy transfer, the energy density and density transfer vibration energy expended on the formation of particles of sludge proved the feasibility of applying diamond polishing suspensions of micron powders, powders of boron nitride and MAX-phase Ti₃AlС₂. As a result of computer simulation surface of micro- and nanoprofile built profilograms, which values of roughness parameters and characteristic relations connecting them with the most probable size of sludge particles. ru Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України Сверхтвердые материалы Исследование процессов обработки Полирование элементов оптико-электронной техники из монокристаллического карбида кремния Polishing of opto-electronic equipment elements from single-crystal silicon carbide Article published earlier |
| spellingShingle | Полирование элементов оптико-электронной техники из монокристаллического карбида кремния Филатов, Ю.Д. Ветров, А.Г. Сидорко, В.И. Филатов, А.Ю. Ковалев, С.В. Курилович, В.Д. Данильченко, М.А. Прихна, Т.А. Боримский, А.И. Куцай, А.М. Полторацкий, В.Г. Исследование процессов обработки |
| title | Полирование элементов оптико-электронной техники из монокристаллического карбида кремния |
| title_alt | Polishing of opto-electronic equipment elements from single-crystal silicon carbide |
| title_full | Полирование элементов оптико-электронной техники из монокристаллического карбида кремния |
| title_fullStr | Полирование элементов оптико-электронной техники из монокристаллического карбида кремния |
| title_full_unstemmed | Полирование элементов оптико-электронной техники из монокристаллического карбида кремния |
| title_short | Полирование элементов оптико-электронной техники из монокристаллического карбида кремния |
| title_sort | полирование элементов оптико-электронной техники из монокристаллического карбида кремния |
| topic | Исследование процессов обработки |
| topic_facet | Исследование процессов обработки |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/126152 |
| work_keys_str_mv | AT filatovûd polirovanieélementovoptikoélektronnoitehnikiizmonokristalličeskogokarbidakremniâ AT vetrovag polirovanieélementovoptikoélektronnoitehnikiizmonokristalličeskogokarbidakremniâ AT sidorkovi polirovanieélementovoptikoélektronnoitehnikiizmonokristalličeskogokarbidakremniâ AT filatovaû polirovanieélementovoptikoélektronnoitehnikiizmonokristalličeskogokarbidakremniâ AT kovalevsv polirovanieélementovoptikoélektronnoitehnikiizmonokristalličeskogokarbidakremniâ AT kurilovičvd polirovanieélementovoptikoélektronnoitehnikiizmonokristalličeskogokarbidakremniâ AT danilʹčenkoma polirovanieélementovoptikoélektronnoitehnikiizmonokristalličeskogokarbidakremniâ AT prihnata polirovanieélementovoptikoélektronnoitehnikiizmonokristalličeskogokarbidakremniâ AT borimskiiai polirovanieélementovoptikoélektronnoitehnikiizmonokristalličeskogokarbidakremniâ AT kucaiam polirovanieélementovoptikoélektronnoitehnikiizmonokristalličeskogokarbidakremniâ AT poltorackiivg polirovanieélementovoptikoélektronnoitehnikiizmonokristalličeskogokarbidakremniâ AT filatovûd polishingofoptoelectronicequipmentelementsfromsinglecrystalsiliconcarbide AT vetrovag polishingofoptoelectronicequipmentelementsfromsinglecrystalsiliconcarbide AT sidorkovi polishingofoptoelectronicequipmentelementsfromsinglecrystalsiliconcarbide AT filatovaû polishingofoptoelectronicequipmentelementsfromsinglecrystalsiliconcarbide AT kovalevsv polishingofoptoelectronicequipmentelementsfromsinglecrystalsiliconcarbide AT kurilovičvd polishingofoptoelectronicequipmentelementsfromsinglecrystalsiliconcarbide AT danilʹčenkoma polishingofoptoelectronicequipmentelementsfromsinglecrystalsiliconcarbide AT prihnata polishingofoptoelectronicequipmentelementsfromsinglecrystalsiliconcarbide AT borimskiiai polishingofoptoelectronicequipmentelementsfromsinglecrystalsiliconcarbide AT kucaiam polishingofoptoelectronicequipmentelementsfromsinglecrystalsiliconcarbide AT poltorackiivg polishingofoptoelectronicequipmentelementsfromsinglecrystalsiliconcarbide |