摘要
氮化铝陶瓷具有优异的导热性能，被应用于大功率LED的封装基板。为实现LED微型化和集成化封装，氮化铝陶瓷基板应具备基板厚度薄、面型精度高以及亚表面近无损伤的加工要求。然而，氮化铝陶瓷属于硬脆难加工材料，加工表面易产生微裂纹损伤，严重影响基板强度和可靠性。超精密磨削技术被认为是实现硬脆材料高效低损伤加工的最有前景的加工技术。目前，针对氮化铝陶瓷基板的超精密磨削加工技术研究较少，在超精密磨削下的表面损伤类型以及材料去除机理还缺乏系统研究。因此，深入研究氮化铝陶瓷在超精密磨削下的材料去除机理和损伤形成规律，对于陶瓷基板的高效低损伤超精密加工具有指导意义。论文的主要研究内容和结论如下： （1）通过纳米压痕与维氏压痕实验，研究了氮化铝陶瓷基板在微纳米尺度下的材料力学特性。实验结果表明，氮化铝陶瓷基板的纳米硬度13.88±1.6GPa，弹性模量325.32±7.2GPa，弹性回复率27.45%~29.11%，断裂韧性2.07~2.23MPa?m1/2。氮化铝陶瓷在微纳米尺度下具有硬度和强度分布各向异性的特点，裂纹易沿晶界扩展。以上实验结果可为后续的理论建模提供数据支撑。 （2）通过纳米划痕实验系统研究了划痕深度和划痕速度对材料变形过程的影响规律。连续变载荷纳米划痕实验表明，随着划痕载荷的线性增加，氮化铝陶瓷的材料去除过程存在明显的脆塑性转变现象。结合材料力学特性、脆塑性转变临界切削深度模型以及载荷-划痕深度曲线分析可得，氮化铝陶瓷的脆塑性转变临界切削深度在140~240nm。不同划痕速度下的纳米划痕实验表明，提高划痕速度可以减小压头划痕深度，减少裂纹损伤，有利于材料的塑性去除。建立考虑应变率效应的划痕应力场分布模型表明，提高划痕速度降低压头正下方的最大主应力，是减少裂纹损伤促进塑性变形的根本原因。 （3）通过氮化铝陶瓷基板的超精密磨削实验，探究了不同材料去除方式下的表面/亚表面损伤类型。在#325、#600砂轮粗磨阶段，磨削表面/亚表面损伤类型为脆性断裂和晶粒剥落留下的破碎坑。在#2000、#5000砂轮精磨阶段，磨削表面损伤类型为磨粒划擦留下的塑性磨纹，亚表面未见明显裂纹。对比磨粒切削深度和脆塑性转变临界切削深度，可以发现，当磨粒切削深度小于140nm时，材料将会以塑性去除。采用#2000和#5000金刚石砂轮超精密磨削可实现氮化铝陶瓷基板的塑性域低损伤加工。
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