编号：FTJS107693
篇名： 磨削过程中石墨烯对氮化镓晶体结构的保护机制研究
作者： 徐美
关键词： 分子动力学模拟; 氮化镓纳米磨削; 石墨烯; 表面质量; 亚表面损伤;
机构：贵州大学
摘要： 氮化镓(GaN)是一种广泛应用于芯片制造和大功率器件的先进半导体材料,其与石墨烯(Gr)的集成被认为是提升器件性能的重要技术方向。然而,该技术不仅要求材料本身具备优异的物理性能,而且需要实现晶片加工过程的纳米级精度控制。作为一种高效精密加工技术,磨削加工已被广泛应用于机械制造、航空航天及医疗器械等领域。而双金刚石磨粒磨削的设计,具有提升加工效率、改善加工表面质量和延长磨具寿命的优势,对于研究磨削工艺中的材料去除机理和氮化镓的器件设计具有重要意义。本文通过分子动力学模拟方法,系统研究了石墨烯润滑条件下双金刚石磨粒加工氮化镓晶体的去除机制,重点分析了表面形貌演化规律、磨削力变化特征、应力场分布特性以及亚表面损伤行为,从而揭示了GaN材料在磨削过程中的损伤形成机制及石墨烯涂层的界面保护作用。 通过对双金刚石磨粒加工GaN过程的分子动力学模拟研究,发现金刚石磨粒与GaN工件直接接触区域发生显著的弹塑性变形,在划痕两侧及磨粒前进方向前端,可观察到大量由非晶化转变产生的切屑原子。同时,亚表层形成原子团簇聚集及闪锌矿结构相变等缺陷,其中闪锌矿相变区域的原子占比随磨削进程持续增加。进一步研究磨削深度、磨粒间距、磨削速度及Gr位置对加工质量的影响。研究结果表明:石墨烯的引入能显著降低工件表面磨损量、原子位移幅值、晶格势能峰值以及亚表面损伤深度,从而有效提升GaN基底的抗磨性能并发挥界面保护效应。 此外,磨削深度与磨粒间距对亚表面损伤具有显著调控作用:当磨削深度增加时,磨削力与亚表面损伤深度呈线性增长趋势;而增大磨粒间距仅引起亚表面损伤深度的微弱变化。因此,优化磨削深度与磨粒间距参数对控制加工损伤至关重要。值得注意的是,石墨烯与磨粒的相对位移阈值(DTS)对加工过程存在显著影响:随着DTS值增大,GaN工件的表面/亚表面损伤程度加剧,切向磨削力同步上升;反之,较小的DTS值可降低磨粒与基材间的摩擦系数,从而抑制表面损伤的产生。