微纳米加工表面和表层的完整性评价

　　1　引言

　　近几年,世界各国学者都非常重视超精密加工、纳米加工技术,同样也重视加工零件、材料的表面和表层的完整性检测,这一点可以从近几年CIRP会议上的论文看出。1999年6月在德国不莱梅召开的第一届欧洲精密工程和纳米技术国际会议和学会大会上,大量报道了这方面的论文。“完整性”的术语是由Field and Kahles^{[1 ]} 在1971年的CIRP主题报告中首次使用,并定义为“在加工中或者其它的表面操作中所生成表面固有的或改进后的状态。”自此以后,对表面完整性测量和评价的报道不断增加。

　　本文初步提出了进行表面完整性评价应考虑的几个方面及其相应的检测方法,尽管是不完善的,甚至在某些方面是不妥的,但却可以起一个参考的作用。最后,应用SPM等仪器对某些超精密加工材料的表面完整性作了尝试性评价。

　　2　微纳米级表面和表层

　　完整性的评价技术

　　亚微米和纳米级加工技术,如:硬切削、LIGA、涂层、喷溅和探针等的迅速发展,使加工和处理后的表面达到纳米级结构。同时扫描隧道显微技术、X射线干涉测量技术的产生,又使描述微观表面的原子结构成为可能。虽然制造手段和测量技术在不断改进,并从实验室“走向”生产工厂;然而,沿用了几十年的评价体系、测量策略和描述性能的参数却一直没有多大实质性的变化。尽管如此,还是有不少国内外学者,在积极探索和研究超精密加工和纳米加工表面和表层的完整性问题^[2-4] 。在纳米尺度上的表面表征和分析,与宏观的毫米和微米级不同;而且纳米表面和表层的物理、化学和材料性能等对工件的功能特性也起着重要的作用。

　　本文在考虑加工、使用和结构表征几个方面的基础上,参考近年的论文,认为对纳米尺度表面和表层的完整性评价应涉及几何、机械、物理、力学、化学等几个方面的性能,具体评价性能及相应的一些检测方法见表1;其中大部分性能可以定量评价。但有些性能还不全面,甚至不合理,需要进一步研究及实现等级的定量化。

　　3　微纳米表面的几项完整性能

　　实验研究

　　3.1　表面形貌的评价

　　应用WYKO公司生产的RSTPlus干涉显微镜,在中科院长春光机所对玻璃、陶瓷、硅和硬质合金等亚微米加工材料表面的微观形貌进行了测试[5]。仪器测量原理同WYKO TOPO系列,垂直分辨力为0.1nm,重复性为0.01nm(RMS),测量范围0.1nm~15μm。扫描面积由光学系统的放大倍率确定,实验过程中仪器采用的放大倍率为10×,扫描面积为603.6μm×448.4μm,取样间隔为1.64μm。取样后,由计算机进行数据处理,在很短时间内就可以得到表面微观形貌图像及参数值(见图1~图4),然后在表面微观形貌图上截取几条轮廓曲线,利用软件分析这几条轮廓曲线的表面粗糙度,最后给出其统计值(见表2)。