【摘 要】
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微纳米结构加工技术已成为国际精密工程和纳米技术的前沿课题。锥形微纳结构因其锥顶端（针尖）尺寸在微纳米量级,具备表面/体积效应和量子尺寸效应等特性,已广泛用于扫描探针显微镜、拉曼光谱、仿生蛾眼光学薄膜等产品中。这些应用要求针尖要具备极高的形状与尺寸精度,同时当针尖受损或受污染时能够及时获得在线修复。针对以上问题,课题组基于通过超声驱动悬浮液在工件附近产生预期的流动速度分布的设想,提出了一种超声调控纳
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微纳米结构加工技术已成为国际精密工程和纳米技术的前沿课题。锥形微纳结构因其锥顶端（针尖）尺寸在微纳米量级,具备表面/体积效应和量子尺寸效应等特性,已广泛用于扫描探针显微镜、拉曼光谱、仿生蛾眼光学薄膜等产品中。这些应用要求针尖要具备极高的形状与尺寸精度,同时当针尖受损或受污染时能够及时获得在线修复。针对以上问题,课题组基于通过超声驱动悬浮液在工件附近产生预期的流动速度分布的设想,提出了一种超声调控纳米磨粒流新技术。为了完善该技术实现工艺可达可控,本文探究了在超声作用下工艺系统中磨粒悬浮液的声场流场特性在超声作用下针尖附近的声流场分布特性及磨粒的运动轨迹。论文的主要内容包括:（1）基于已有的声流场理论,建立了声场与流场的耦合项,推导了声流场理论中作为驱动力的表达式。基于流场-声场耦合数值计算模型,利用Ansys Fluent有限元软件中的声场和流场模块,得到了声流驱动力与声场的计算结果。（2）通过分析纳米磨粒的运动情况,基于欧拉-拉格朗日单颗粒动力学模型,结合RNG k-ε湍流模型与DPM离散相模型,建立了固液两相流数值模型,确定了模型的边界条件,完成了网格无关性验证,得到了针尖附近声场与流场的分布特性。发现了磨粒的速度、动压、湍动能等均有沿着针尖底端壁面稳步上升的趋势,显著地利于针尖的修锐加工。探究了磨粒在声流场中的运动轨迹以及与针尖壁面材料的碰撞规律,针对特定工件颗粒碰撞壁面次数可达2600余次/s,碰撞概率为11.3%。（3）采用仿真及加工实验手段,探究了不同加工因素下（针尖侧角、针尖宽度、加工高度）针尖附近声流场特性分布规律,明确了磨粒在不同条件下的运动行为,给出了有利于针尖加工修锐的合理参数。通过对加工前后针尖的几何形貌的观测,研究发现针尖宽度与针尖侧角越小,材料的去除速率会逐渐放缓,利于加工以较高精度收敛至预期尺寸。
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