国际制造业先进技术译丛 微米加工与纳米制造PDF电子书下载

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 TADTOP 71

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CVD 189

7.5.2 射频等离子体增强CVD 189

7.5.3 直流等离子体增强CVD 189

7.5.4 微波等离子体增强CVD 189

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CVD 334

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