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第1章 微米和纳米加工1

1.1 前言1

1.2 微米加工2

1.3 纳米加工12

1.3.1 基于软刻印的纳米加工12

1.3.2 采用操纵技术的纳米加工16

1.3.3 采用碳纳米材料的纳米加工26

1.4 结论31

参考文献32

第2章 采用X射线光刻的微米加工34

2.1 前言34

2.2 X射线光刻技术35

2.3 同步加速器辐射36

2.3.1 一般特性36

2.3.2 光谱特性38

2.3.3 光谱的辉度和亮度38

2.4 微米加工39

2.4.1 概述39

2.4.2 LIGA工艺39

2.4.3 光刻步骤39

2.4.4 X射线光刻39

2.4.5 X射线掩膜41

2.4.6 掩膜材料42

2.4.7 单吸收层制造45

2.4.8 衬底中X射线掩膜的对准46

2.4.9 大高宽比微光刻技术的掩膜46

2.4.10 光刻胶衬底的选择49

2.4.11 对光刻胶的要求49

2.4.12 光刻胶涂覆方法51

2.4.13 曝光52

2.4.14 台阶状和倾斜型的微结构54

2.4.15 微主模具制造方法55

2.5 展望57

参考文献58

第3章 高纵横比微结构的刻蚀、加工和模铸60

3.1 前言60

3.2 干法刻蚀60

3.3 等离子刻蚀加工61

3.4 离子束辅助自由基刻蚀61

3.5 等离子体特性62

3.5.1 鞘区62

3.5.2 边界区域62

3.6 微结构的刻蚀62

3.6.1 刻蚀现象63

3.6.2 沟槽内的抑制剂的耗尽63

3.6.3 沟槽内的自由基的耗尽63

3.6.4 体积输运64

3.7 刻蚀的中断机制68

3.8 刻蚀效应70

3.8.1 倾斜效应70

3.8.2 弓形化效应70

3.8.3 瓶状效应（Bottling）71

3.8.4 TADTOP71

3.8.5 离子造成的刻蚀延迟效应71

3.8.6 由于自由基耗尽或反射造成的刻蚀延迟效应72

3.8.7 微草效应74

3.9 高深宽比微米结构的微机械加工74

3.10 微模塑75

3.11 微模塑加工75

3.11.1 注塑成型76

3.11.2 反应注塑成型76

3.11.3 热压印77

3.11.4 注塑压缩成型81

3.12 微模塑工具81

3.13 微模塑成型的设计83

3.14 微模塑应用83

3.15 微模塑的局限性83

3.16 结论84

参考文献84

第4章 微机械加工中的尺寸效应87

4.1 前言87

4.2 机械加工的尺寸效应87

4.3 剪切角的预测91

4.4 大应变情况下的塑性行为95

4.4.1 Langford和Cohen的模型95

4.4.2 Walker和Shaw的模型98

4.4.3 Usui的模型100

4.4.4 硬车削中的锯齿切屑形成100

4.4.5 金属切屑形成中的类流体流动100

4.4.6 Kececioglu模型102

4.4.7 Zhang和Bagchi的模型103

4.5 大塑性流动机制106

4.6 不均匀应变107

4.7 尺寸效应的起源109

参考文献109

第5章 机械微加工111

5.1 前言111

5.2 微流体系统111

5.3 微机械加工理论113

5.3.1 微铣削技术113

5.3.2 切屑初始卷曲建模116

5.4 微机械加工实验119

5.4.1 微机械加工装置119

5.4.2 切屑形成过程的观察121

5.4.3 微机械加工的结果123

5.5 微机械加工的刀具设计123

5.6 高速空气涡轮主轴125

5.6.1 流体流动分析125

5.6.2 CFD方法中的假设126

5.6.3 CFD几何学模型126

5.6.4 流体模型126

5.6.5 边界条件127

5.6.6 支配方程127

5.6.7 求解办法128

5.7 高速转子的机械设计128

5.7.1 转子的基本几何结构128

5.7.2 带圆角曲面的转子129

5.7.3 带70°叶片尖角的转子129

5.7.4 带90°叶片尖角的转轴130

5.7.5 带有12个叶片的转子130

5.7.6 带斜入口的外壳130

5.7.7 带有三个入口和三个出口的外壳131

5.7.8 双级转子131

5.7.9 双级转子的流型拓扑132

5.7.10 双级转子的压力变化132

5.7.11 转子上有三个倾斜角为45°的入口时的流线拓扑133

5.7.12 转子上有三个倾斜角为45°的入口时的压力变化133

5.7.13 所有几何体的压力系数134

5.8 讨论135

5.9 结论136

5.10 未来发展方向137

参考文献137

第6章 精密微纳米磨削138

6.1 前言138

6.2 磨削砂轮142

6.2.1 黏结材料142

6.2.2 磨料类型143

6.2.3 磨料粒度144

6.2.4 分级145

6.2.5 结构146

6.2.6 浓度146

6.2.7 砂轮的设计和选择147

6.2.8 磨头150

6.3 常规磨削151

6.4 精密磨削工艺154

6.4.1 将加工中心升级至IC芯片制造用坐标磨床154

6.4.2 找到临界切削深度的新实验方法156

6.4.3 带在线电解修整（ELID）的精密磨削159

6.4.4 可减少抛光时间的部分延性模式磨削160

6.4.5 非球面曲面的生成162

6.5 超精密磨削167

6.5.1 各种超精密机床及其发展概况167

6.5.2 四面体台式机床（Jackson型号）［91］173

6.5.3 无黏结剂砂轮175

6.5.4 自由曲面光学器件177

6.6 结论178

参考文献178

第7章 面向微刀具、NEMS和MEMS应用的金刚石CVD技术183

7.1 前言183

7.2 金刚石的属性184

7.3 历史沿革185

7.3.1 金刚石合成的早期历史185

7.3.2 当今的亚稳态金刚石的生长187

7.4 CVD技术的发展188

7.5 金刚石CVD工艺的类型188

7.5.1 等离子体增强CVD189

7.5.2 射频等离子体增强CVD189

7.5.3 直流等离子体增强CVD189

7.5.4 微波等离子体增强CVD189

7.5.5 热灯丝CVD（HFCVD）189

7.5.6 CVD工艺的优点190

7.5.7 CVD工艺的缺点191

7.6 衬底191

7.6.1 衬底材料的选择191

7.6.2 衬底预处理192

7.6.3 对钼硅衬底的预处理192

7.6.4 对硬质合金衬底的预处理192

7.7 改进的HFCVD工艺194

7.7.1 热灯丝组件的改进194

7.7.2 工艺条件195

7.8 金刚石的成核和生长196

7.8.1 成核阶段197

7.8.2 同质外延生长197

7.8.3 异质外延生长197

7.8.4 偏压增强型成核（BEN）198

7.8.5 温度的影响200

7.9 金刚石在三维衬底上的淀积202

7.9.1 在金属（钼）丝上的金刚石淀积202

7.9.2 在WC-CO（硬质合金）微型钻头上的淀积202

7.9.3 在碳化钨（WC-Co）牙钻上的金刚石淀积206

7.10 性能研究209

7.10.1 涂有金刚石的微型钻头的性能210

7.10.2 涂有金刚石的牙钻的性能210

7.11 结论214

参考文献215

第8章 基于激光的微纳米加工218

8.1 前言218

8.2 激光的基本原理218

8.2.1 单色光束的产生218

8.2.2 受激发射219

8.2.3 二极管激光器221

8.2.4 准分子激光器221

8.2.5 钛：蓝宝石激光器221

8.3 光束特性222

8.4 激光光学223

8.4.1 光学品质224

8.4.2 激光—材料的相互作用225

8.5 激光微米加工227

8.5.1 纳秒脉冲微米加工227

8.5.2 保护气体228

8.5.3 表面熔化的阶段划分229

8.5.4 纳秒脉冲微米加工的效果229

8.5.5 皮秒脉冲微米加工231

8.5.6 飞秒脉冲微米加工237

8.6 激光纳米加工技术241

8.7 结论243

参考文献243

第9章 脉冲水滴微机械加工244

9.1 前言244

9.2 脉冲液体冲击原理245

9.3 水滴的冲击作用246

9.3.1 圆周损伤246

9.3.2 横向射流247

9.4 加工阈值的建模248

9.4.1 加工阈值模型248

9.4.2 准静态应力强度248

9.4.3 动态应力强度因子250

9.4.4 冲击加工的仿真252

9.4.5 加工阈值曲线252

9.5 结果比较253

9.5.1 硅253

9.5.2 氧化铝254

9.5.3 氟化镁255

9.6 材料去除速率256

9.7 水加工机床设计257

9.8 空间框架分析258

9.8.1 有限元模型258

9.8.2 闭式解模型259

9.9 四面体结构的振型259

9.9.1 试验方法260

9.9.2 试验步骤260

9.9.3 试验分析262

9.10 总结267

参考文献268

第10章 金刚石纳米磨削269

10.1 前言269

10.2 压电纳米磨削269

10.3 纳米磨削磨粒的受力分析271

10.4 以磨粒断裂为主的磨损模型275

10.5 纳米磨削276

10.5.1 纳米磨削装置276

10.5.2 纳米磨削工序276

10.5.3 应力分析279

10.6 多孔纳米磨削刀具282

10.6.1 黏结桥中石英溶解模型284

10.6.2 纳米磨削砂轮中黏结桥的制备285

10.6.3 黏结剂体系的X射线衍射分析287

10.7 难熔型黏结体系的验证及其与石英溶解模型的比较289

10.8 易熔型黏结体系的验证及其与石英溶解模型的比较294

10.9 纳米磨削刀具的激光修整296

10.10 未来发展方向300

参数命名表301

参考文献302

第11章 纳米机械加工的原理、方法和实现303

11.1 前言303

11.2 纳米机械加工及其应用前景304

11.3 纳米机械加工的理论基础305

11.3.1 切削力和切削能量306

11.3.2 切削温度308

11.3.3 切屑形成和表面生成310

11.3.4 最小未变形切屑厚度311

11.3.5 临界切削刃半径312

11.3.6 工件材料特性313

11.3.7 纳米机械加工与常规机械加工的比较314

11.4 纳米机械加工的实现315

11.4.1 超精密机床315

11.4.2 切削刀具319

11.4.3 纳米测量321

11.4.4 加工过程变量322

11.4.5 实用化纳米尺度加工（车削、铣削和磨削）323

11.5 结论325

标号和符号325

参考文献326

第12章 纳米晶态金刚石的淀积途径与应用329

12.1 前言329

12.2 纳米晶态金刚石331

12.2.1 为什么是Nano？331

12.2.2 淀积途径331

12.2.3 时间调制式的CVD334

12.3 应用339

12.3.1 心脏瓣膜339

12.3.2 牙钻340

12.3.3 髓关节假体341

12.3.4 微流体装置342

12.4 小结343

致谢343

参考文献344

第13章 微纳米技术的商业化问题349

13.1 前言349

13.2 商业化问题350

13.2.1 一般性问题350

13.2.2 产品—市场的接口350

13.3 商业化所需的基础设施351

13.4 供应链网络352

13.5 产品制造353

13.6 制造中心353

13.7 微纳米技术的市场355

参考文献355

第14章 微米纳米制造的未来356

14.1 前言356

14.2 微米制造356

14.2.1 电镀356

14.2.2 模铸357

14.2.3 模塑359

14.2.4 机械加工363

14.2.5 微米制造未来的发展364

14.3 纳米制造364

14.3.1 半导体制造364

14.3.2 软刻印制造364

14.3.3 纳米模塑制造366

14.3.4 纳米压印刻印技术369

14.3.5 刻印诱导自组装370

14.3.6 蘸水笔纳米制造372

14.4 未来的发展374

参考文献375