单晶硅作为优良的半导体材料,广泛应用于光伏发电,供热,航天航空等高新技术领域。为了实现单晶硅三维结构零件高效高质加工,研究者们尝试引入化学改性方法,以化学改性方式降低后续机械去除难度,形成复合超精密加工工艺。但是现有的化学改性方法多存在改性效率极低,改性层仅有数十纳米,复合加工时间长等问题。据此,本文提出一种新的集成紫外光催化和激光辅助的光-热耦合单晶硅化学改性策略,并探究其策略的化学改性效能,以及与微细磨削技术复合实现单晶硅微结构高质加工的可行性。为实现硬脆材料超精密三维结构高效、高质量无损伤微细磨削加工提供理论和实验研究基础。本文研究内容包括:(1)光-热耦合单晶硅化学改性策略机理研究。以(100)晶面单晶硅为研究对象,分析了单晶硅结构特征,基于紫外光催化原理和激光高能场瞬时热特性,提出了光-热耦合单晶硅化学改性策略;考虑紫外光强度、催化物投加量等因素,分析讨论紫外光强度对改性效能的影响;探讨了该策略增强单晶硅与化学改性液反应活性、提升化学反应速度、实现改性区域可控的改性机理。理论分析推断,随着紫外光强度的增加,化学改性效能提高;红外激光为化学改性体系提供外部热能,有效提高化学改性速率。(2)光-热耦合单晶硅化学改性实验研究。设计了激光辅助化学改性反应机理实验,通过形貌观察及生成物检测分析了激光高能场与化学反应集成的可行性。结果表明,在水溶液及空气介质下,样品表面激光扫描区域边界模糊,其存在明显灼烧热损伤特征,该区域未检测到硅酸盐官能团物质。在化学改性液介质下,样品表面激光扫描区域界限清晰,其表面形貌斑驳但未出现热裂纹、烧蚀等热损伤现象,该区域检测到硅酸盐官能团物质。可见,激光高能场能与化学改性液共同作用能实现单晶硅的定向化学改性。并通过对激光扫描区的温度场监测,讨论了光-热耦合单晶硅化学改性区域可控的形成机理。结果表明,激光扫描时化学改性液整体环境温度仅为30℃左右,非扫描区域材料未发生化学改性现象。实验结果验证了光-热耦合化学改性策略可实现化学改性区域可控的改性机理。(3)光-热耦合单晶硅化学改性效能评价。以激光平均功率与扫描速度为变量设计单因素试验,分析激光工艺参数对单晶硅改性效能的影响规律。将激光平均功率与扫描速度分别转变为激光平均功率密度与时间参数,通过纳米压痕测试,分析激光工艺参数对样品改性区表面纳米硬度与最大压痕深度的影响程度,以改善单晶硅表面力学性能,提高改性层厚度为目标,优化激光工艺参数,建立改性策略控制条件。结果表明,合理的控制激光工艺参数可以实现高效且精准区域可控性改性。紫外光能场的加入提高化学改性液中的强氧化性活性物质浓度,激光的瞬时集中高热能场输入能够提升化学反应中硅酸盐反应速率。(4)复合微细磨削质量评价。为了分析光-热耦合单晶硅化学改性对单晶硅微细磨削质量的影响,设计改性后单晶硅的微细磨削加工实验。以微槽底部质量及边刃损伤为质量评价指标,对比评价未改性区与改性区的微细磨削质量。结果表明,经过光-热耦合单晶硅化学改性后,单晶硅改性区的微槽左侧基本无损伤和右侧边刃损伤值5.4μm,未改性区微槽左右两侧边刃损伤值分别7.76μm与8.3μm,且改性区微槽底部磨削质量较好,未改性区的微槽底部磨削质量较差。