利用激光耦合超声研磨技术改善氮化铝机械性能的原子级研究

《Materials Science in Semiconductor Processing》：Atomistic study on improvement of mechanical properties of aluminum nitride by laser-coupled ultrasonic grinding

　　

张赫|孙聪|张俊|林书文|徐晨焕|高世航|张倩曦

GD电力发展有限公司，辽宁能源分公司，大连，116000，中华人民共和国

摘要

作为散热基材的核心材料，氮化铝陶瓷因其导热性和电绝缘性能而受到广泛关注。然而，氮化铝缺乏机械性能，导致模块失效。因此，提出了一种新的加工工艺——激光超声辅助磨削（LUAG）。该方法结合了激光的热软化和超声波的高频振动，以实现氮化铝表面的高性能加工。通过分子动力学分析了材料损伤机制、相变位错等因素的影响。实验结果表明，LUAG产生的磨削力降低了50%，弹性模量增加了近58%。该工艺下的AlN基材表面形态完整。基材材料的相变增韧提高了其机械性能和表面形态。这项研究加深了对脆性和硬质材料去除及损伤的理解。

引言

氮化铝陶瓷具有多种优异的物理和化学性能。其熔点极高，热膨胀系数在4.0至6.0×10^-6/°C之间[1,2]，使其与Si和GaAs等材料相匹配。此外，氮化铝陶瓷的导热性非常高，理论值可达320 W/(m·K)，对现代工业的发展具有重要意义[3,4]。在辽宁能源分公司进行光伏发电研究过程中，由于IGBT模块的机械性能不足，引发了严重的瞬时功率波动和随后的热振荡。因此，强化氮化铝陶瓷表面是当前研究的重要方向之一。

传统的加工方法难以满足脆性材料的加工需求。超声辅助磨削和激光辅助磨削已成为主要的加工方式。为了获得更好的加工表面质量，Jin等人[5]开发了SiCp/Al复合材料的超声振动辅助磨削（UVAG）的磨削力模型和晶粒尺寸演变模型。参数敏感性分析表明，切削深度是影响切向力和法向力的主要因素。实验结果进一步证明，超声辅助磨削可以有效改善加工表面质量。为了验证模型与实际加工表面之间的差异，Zhang等人[6]提出了一种用于Si3N4陶瓷纵向扭转超声辅助磨削（LTUG）中残余材料高度（HRMS）的概率算法。由于LTUG中的复杂表面特性是由多种随机因素引起的，采用激光技术能更有效地强化加工表面[7,8]。激光辅助加工（LAM）中的工具磨损和表面粗糙度低于传统铣削方法，工件表面更加光滑。为了提高加工材料的去除率和加工效率，Ma等人[9]结合了非传统的混合激光辅助磨削（LAG）系统和立方氮化硼（CBN）砂轮来加工氧化锆陶瓷。与传统磨削相比，LAG工艺实现了具有较大切削深度的塑性磨削，改变了氧化锆陶瓷的加工性能。为了分析材料加工过程中的结构相变效应，Zhang等人[10]研究了材料结构相变对磨削力、原子去除、基体损伤机制和残余应力的影响。实验表明，适当的激光功率可使氮化硅表面硬度达到1862.6 HV，摩擦磨损系数和表面粗糙度分别降低了31.6%和25.6%。关于陶瓷材料的相变机制和加工过程中的亚表面缺陷，Li等人[11]进行了分子动力学模拟，系统研究了激光功率密度对磨削力、应力分布、材料损伤机制、亚表面损伤深度和激光辅助磨削对GaN单晶磨损的影响。与传统磨削相比，适当激光功率密度的激光辅助磨削可以有效降低磨削力和加工过程中的位错环长度。

单一加工工艺难以同时满足表面形态的改善和机械性能的提升。Javier等人[12]提出了一种混合激光和超声辅助加工（LUAM）技术，用于提高Ti-6Al-4V合金的加工性能。通过比较超声辅助加工、激光辅助加工和常规车削，发现激光超声辅助加工工艺可以有效避免切削速度和切削深度对加工的影响。为了更详细地描述激光超声辅助磨削对加工过程的改进效果，Zhang等人[13]基于YG20碳化钨板的传统加工实验建立了激光加热温度场的数学模型。激光超声辅助磨削下的工具损伤和加工表面粗糙度显著降低。然而，针对陶瓷材料的研究较少，尤其是对材料加工过程中位错和结构相变的分析较为少见。

本文提出了一种激光超声双物理源辅助磨削氮化铝的方法，利用激光提供高能量密度热源软化材料，并结合超声波产生高频振动。本文设置了四种对比方案：传统磨削（TG）；激光辅助磨削（LAG）；超声振动辅助磨削（UVAG）和激光超声辅助磨削（LUAG）。LUAG促进了材料去除并提高了加工表面质量。通过宏观和微观分析，这种复合加工技术显著提高了氮化铝陶瓷的加工效率，减少了加工缺陷，提高了加工精度，并有效降低了由于基材微裂纹引起的模块失效。

章节摘录

氮化铝陶瓷的激光超声辅助磨削实验研究

为了证明LUAG工艺能够在实现相变增韧的同时产生增强相氧化铝，对加工后表面材料的宏观和微观性能进行了表征实验。

氮化铝LUAG工艺的分子动力学分析

为了进一步探讨上述表面形态形成的原因，将从加工过程中的原子转变角度进行分析。所有分子动力学模拟均使用大尺度原子/分子并行模拟器（LAMMPS）进行，以研究原子尺度上的材料去除和亚表面损伤的演变。结合可视化软件OVITO，可以观察材料加工的微观过程和原子尺度变化。

结论

为了实现氮化铝（AlN）陶瓷的高性能表面加工和更广泛的工业应用，提出了一种新的集成激光超声辅助磨削（LUAG）方法。该方法通过微观相变增韧和宏观增强相扩散实现了材料强化。建立了微观分子动力学模型，并通过宏观实验进行了验证。工艺条件对表面质量和亚表面性能的影响

CRediT作者贡献声明

张赫：撰写——初稿。孙聪：资金获取、撰写——审稿与编辑。张俊：实验研究。林书文：方法论设计。徐晨焕：实验研究。高世航：资源协调。张倩曦：结果验证。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本项目得到了国家自然科学基金（批准号：52175383和52105433）的支持。