氮化铝超声振动辅助纳米磨削过程中振幅和频率的微观作用机制：分子动力学研究

冯帅诚1，殷佳钦1，刘阳1，肖晨2, 3，郭剑1（1.南华大学机械工程学院； 2.西南交通大学摩擦学研究所；3.西南交通大学前沿科学研究院）

摘要：超精密表面磨抛是制造高端氮化铝基宽禁带半导体芯片及器件的关键工艺。氮化铝为硬脆难加工材料，采用传统纳米磨削等工艺对其加工存在效率低和易损伤等难点。引入超声振动可以提高磨削加工中工件材料的去除率、降低其亚表面损伤。然而，目前对氮化铝超声振动辅助纳米磨削去除机理的认识尚浅，振幅和频率的影响规律和微观作用机制不明。为此，开展了不同条件下氮化铝表面超声振动辅助单金刚石磨粒纳米磨削过程的分子动力学仿真，从原子层面探究振幅和频率对纳米 / 亚纳米级材料去除和亚表面晶格损伤的作用机制。研究结果表明：增加振幅或频率可在降低磨削力的同时，提高材料去除率，降低表面粗糙度和亚表面晶格损伤。随着振幅的增大，磨削力线性减小，去除体积线性增大，位错分布范围减小，材料去除行为由单一的塑性域去除逐渐向复合去除方式转变。当频率达到1 GHz 时，磨削力急剧下降。在超高频振动的影响下，工件局部出现高温，同时磨粒的冲击作用显著增强，导致去除体积大幅增加。此时，磨削表面呈现出均匀稳定的原子层状剥离现象，亚表面则近乎零损伤，无位错和非晶结构。研究结果可为硬脆半导体材料高效率、低损伤的超精密磨削加工工艺条件优化提供理论参考。

关键词：氮化铝；超声振动辅助纳米磨削；振幅；频率；纳米 / 亚纳米级材料去除；亚表面损伤；分子动力学仿真