【摘 要】
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单晶3C-SiC因其优异的物理、光学和电学性能被认为具有广泛的应用前景,为极端条件下器件的制备提供了可能。然而3C-SiC的高硬脆性导致了其加工难度大,这极大限制了相关技术研究成果的实用化。因此,开展3C-SiC的加工机理研究,对于提高3C-SiC材料加工制备精度,探索其相关器件加工制备的方法具有重要研究意义。本课题基于扫描电子显微镜与聚焦离子束双束系统（SEM/FIB）开展了纳米尺度金刚石刀具切
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单晶3C-SiC因其优异的物理、光学和电学性能被认为具有广泛的应用前景,为极端条件下器件的制备提供了可能。然而3C-SiC的高硬脆性导致了其加工难度大,这极大限制了相关技术研究成果的实用化。因此,开展3C-SiC的加工机理研究,对于提高3C-SiC材料加工制备精度,探索其相关器件加工制备的方法具有重要研究意义。本课题基于扫描电子显微镜与聚焦离子束双束系统（SEM/FIB）开展了纳米尺度金刚石刀具切削3C-SiC的材料去除机理研究,结合原子力显微镜（AFM）、电子背散射衍射（EBSD）和透射电子显微镜（TEM）等多种表征测试方法对3C-SiC样品的纳米切削过程进行研究分析,并探索出了一种结合图像处理和SEM在线观测技术的切削力测量方法,并且其测量不确定度不超过1 m N。本文主要研究内容及结论如下:（1）首先,基于SEM开展了不同切削深度下的3C-SiC在线纳米切削实验,并对不同切削深度下加工表面进行了在线观测。研究发现,当切削深度达到与刃口半径相同量级时,在小切削深度下,切削后的表面较为光滑,随着切削深度增加,加工表面逐渐出现凹坑和裂纹,表明材料的脆性去除随切削深度的增加逐渐在加工中占据主导地位。（2）其次,针对由于SEM样品仓尺寸和环境对切削力测量的限制等问题,探索出了一种结合图像处理技术与SEM在线观测技术的切削力测量方法。并基于SEM录像机理的研究验证了该测量方法的可行性与可靠性。测量不同切削深度下的切削力发现该方法的测量不确定度不超过1m N。（3）再次,基于AFM形貌表征,测量了切削过程中样品与金刚石刀具相互作用的截面面积,并计算了不同切削深度下的切削比能。研究发现,当材料去除以塑性去除为主时,切削比能约为92 GPa,远大于材料的脆性去除逐渐占主导地位时的切削比能。（4）最后,基于EBSD与TEM表征测试方法开展了3C-SiC的纳米切削机理研究。测试不同切削深度下的样品发现,随着切削深度减小,材料的塑性去除逐渐占主导地位,加工后材料亚表面的非晶层厚度逐渐增加,结合切削比能的测量结果分析可知,当前实验条件下,高压相变是导致3C-SiC塑性去除的主要原因。
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