导电柔性工具的区域约束电化学浮动加工新方法及其在碳化硅超精密制造中的应用

本文提出了一种基于导电柔性工具的双极电化学浮动加工（EC-FM）新方法，用于碳化硅（SiC）等超硬材料的非接触、高效率超精密加工。该方法通过流体-结构相互作用模型揭示了剪切应力在调控材料去除（MRR）和局部质量传输中的关键作用，结合双极电压实现了氧化反应的空间约束。实验表明EC-FM相比机械浮动加工显著提升去除效率，并成功制备出形状误差低于3?nm的自由曲面和表面粗糙度（Sa）达0.103?nm的原子级光滑表面，为光学/半导体器件原子及近原子尺度制造（ACSM）提供了创新解决方案。

　　

Highlight

双极调控电化学浮动加工机理

提出的加工方法采用柔性导电工具，在流体动力和工具变形漂浮的自适应控制下实现非接触加工。工具在浸没于研磨液的碳化硅工件附近旋转。旋转产生的流体动力与外部负载力平衡，柔性工具的变形和后退维持了工具与工件间稳定的流体薄膜，从而实现稳定加工。

电化学浮动加工系统的实验装置

实验使用如图4(a)所示的电化学浮动加工（EC-FM）系统进行。一个由肖氏硬度50-70的导电橡胶制成的柔性导电工具安装在高转速气动主轴上。该导电橡胶填充了炭黑，其导电性低于金属和石墨材料。与金属电极不同，炭黑不会发生阳极溶解。仅在正电压下会发生轻微的表面氧化，这不会影响工具的导电性能。

EC-FM与机械浮动加工的比较

为了评估电化学浮动加工相较于传统机械方法的有效性，对相同的SiC样品应用了三种不同的表面加工策略：金刚石研磨液机械加工、硅溶胶机械加工以及提出的采用硅溶胶的电化学浮动加工（EC-FM）。所有工艺均在相同的工具负载（150 mN）和持续时间（3分钟）下进行。此外，EC-FM工艺在+5 V正电压和-3 V负电压下进行。

结论

本研究提出了一种基于柔性导电工具的新型双极电化学浮动加工（EC-FM）方法，该方法实现了碳化硅（SiC）表面的精确区域约束和高精度加工，有效解决了非接触子孔径加工中材料去除效率低的问题。主要贡献包括以下几个方面：

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  揭示了工具旋转产生的局部剪切应力分布通过增强氧化反应物的局部质量传输和氧化层去除，从而协同增强了氧化反应的空间约束。