ITO導電玻璃單顆磨粒切削機理仿真試驗研究

摘要" 為研究氧化銦錫（indium tin oxide，ITO）導電玻璃材料的去除機理，采用單磨粒對材料進行切削仿真，建立了ITO導電玻璃的材料模型，根據(jù)加工表面形貌、應力和切削力情況分析了材料去除機理，之后研究了切削參數(shù)對切削力和殘余應力的影響，并與鈉鈣玻璃進行對比分析。結(jié)果表明：在磨粒的切削過程中，材料的去除受ITO薄膜層、玻璃基底和內(nèi)聚力接觸行為的共同影響，會產(chǎn)生分層、通道開裂和層間斷裂等失效形式；隨著磨粒的進給，切削力在一定范圍內(nèi)波動，且呈現(xiàn)上升、穩(wěn)定、降低的變化，同時磨粒的切削力與切削速度和切削深度呈正相關；薄膜上殘余應力相比玻璃基底，數(shù)值更大且波動更劇烈；當切削深度接近ITO薄膜厚度時，薄膜的存在對磨粒切削行為的影響顯著。

關鍵詞" ITO導電玻璃；材料去除機理；切削力；殘余應力

氧化銦錫（indium tin oxide，ITO）是一種N型氧化物半導體材料，具有高可見光透過率以及良好的導電性能，常作為透明導電電極，應用于顯示屏幕、太陽能電池等光電器件中[1]。在鈉鈣玻璃上濺射一層ITO薄膜，然后經(jīng)過高溫退火處理即可得到ITO導電玻璃，其具備硬度高、耐腐蝕、紅外反射率高、微波衰減率高等優(yōu)良性能，在飛機除霧視窗、建筑玻璃幕墻、雷達屏蔽等方面得到廣泛應用[2]。但由于ITO導電玻璃脆性大、表面硬度高且具有一定的不均勻性，其在加工過程中會出現(xiàn)裂紋、剝落、分層等不同形式的損傷。

ITO導電玻璃因優(yōu)異的性能和廣闊的應用前景，一直吸引著學者的關注。為得到ITO薄膜的力學性能數(shù)據(jù)，HENGST等[3]研究了ITO薄膜微觀結(jié)構(gòu)對材料形態(tài)、楊氏模量和裂紋起始應變的影響，其中楊氏模量隨溫度上升而降低，而磁控濺射產(chǎn)生的內(nèi)壓力會導致裂紋起始應變隨薄膜厚度的增大而增大。OH等[4]利用獨立式拉伸試驗測量了無基板的ITO薄膜的固有機械性能，并研究了退火溫度對ITO薄膜晶體狀態(tài)和機械性能的影響。WANG等[5]通過納米壓痕試驗得到了ITO薄膜材料的硬度、楊氏模量、能量釋放率和斷裂韌性等力學性能數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)基底的塑性變形和平面殘余應力易引起材料的局部斷裂失效，并提出定制多層薄膜復合系統(tǒng)來改善材料的機械性能。

針對ITO薄膜復合材料的失效機理，JUNG等[6]對柔性襯底的ITO薄膜進行彎曲試驗，分析了ITO薄膜的裂紋產(chǎn)生機理，得出薄膜與基底間的彈性失配是導致薄膜材料內(nèi)聚破壞的關鍵因素。ZIAEI等[7]通過非線性有限元法結(jié)合位錯密度晶體和亞彈性材料模型，解釋了層狀薄膜系統(tǒng)的通道開裂和界面分層等失效行為。TIAN等[8]根據(jù)熱力學匹配性研究了薄膜機械性能、膜系應力積累、薄膜與基底之間的熱應力、附著力匹配以及薄膜與基底之間的相對剛度等對薄膜系統(tǒng)失效的影響。

對于ITO導電玻璃的機械加工性能，QIU等[9]對ITO玻璃進行了劃痕實驗，得出薄膜的機械性能受內(nèi)應力影響，增大內(nèi)部壓應力會提高ITO薄膜的硬度；高壓應力下的薄膜以脆性開裂的失效模式損壞，而當內(nèi)部應力水平相對較低時，薄膜呈現(xiàn)延性拉伸開裂形式的失效。LEE等[10]為提高ITO薄膜的表面質(zhì)量，對比不同工藝參數(shù)的化學機械拋光，并比較了ITO薄膜拋光后的電學和光學性質(zhì)，得出具有高去除率、低不均勻性、低電阻率和高透光率的最佳加工條件。CHEN等[11]利用飛秒激光在鍍ITO薄膜的玻璃上制備周期表面結(jié)構(gòu)，相較于直接在玻璃表面加工，所使用的激光能流密度只有先前的1/10，ITO薄膜的存在大大降低了激光加工的熱效應。

ITO薄膜的結(jié)構(gòu)及表面形貌對其光學和電學性能影響較大。本文在不同的參數(shù)下對ITO導電玻璃進行單顆磨粒切削仿真，同時與鈉鈣玻璃進行對比，研究磨粒切削過程中的ITO薄膜失效形式和材料去除機理，以獲得高質(zhì)量ITO導電玻璃表面的加工方法。

1" 單磨粒切削有限元仿真建模

1.1" 切削模型的建立

利用磁控濺射法制備ITO導電玻璃，其薄膜層厚度為微米級別，遠小于玻璃基底的厚度。為研究ITO薄膜與玻璃基底在磨削過程中的去除機理，本文選定1 000#粒度的微磨棒上的金剛石磨粒進行切削仿真。根據(jù)圖1a中的磨粒微觀結(jié)構(gòu)，建立直徑為2 μm的截角八面體磨粒模型。設定工件的尺寸為8.0 μm × 4.0 μm × 2.2 μm，其中薄膜層厚度為0.2 μm，基底的厚度為2 μm。此外，磨粒xoz面與工件XOZ面平行，磨粒沿x軸進行切削，整體有限元仿真模型如圖1b所示。金剛石磨粒的密度為3 520 kg/m3，彈性模量為1 100 GPa，泊松比為0.17，在切削過程中變形可以忽略不計，所以在仿真中將其設置為剛體。

1.2" 材料本構(gòu)模型

ITO導電玻璃是一種薄膜復合材料，在生產(chǎn)工藝上，薄膜層與玻璃基底之間以磁控濺射的形式結(jié)合，層間的附著力由范德華力、靜電力和化學吸附共同作用決定。ITO導電玻璃材料模型中需要分別對ITO薄膜層、基底和磁控結(jié)合區(qū)域進行定義，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

玻璃基底的材料為鈉鈣玻璃，屬于典型的脆性材料，為表征其在單顆磨粒切削過程中的力學行為，選用JH-2本構(gòu)模型，基本表達式為：

σ*=σi-D（σi-σf）""" （1）

式中：σ*為標準化等效應力；D為損傷因子；σi為標準化完整等效應力；σf為標準化斷裂等效應力。

當材料完整（D=0）時，等效應力公式為：

當材料斷裂（D=1）時，等效應力公式為：

材料模型的狀態(tài)方程為：

P = K1μ1 + K2μ2 + K3μ3

式中：P為靜水壓力；K1、K2、K3為材料常數(shù)；μ為體積應變。玻璃基底的JH-2本構(gòu)參數(shù)如表1所示[12]。

Brittle Cracking是模擬材料脆性開裂的模型，常被用于顆粒增強復合材料去除機理的研究。ITO薄膜層采用Brittle Cracking模型，以表現(xiàn)其脆性失效形式。當ITO薄膜所受的最大正應力大于其抗拉強度時，薄膜單元開始斷裂，隨后的開裂演化位移為：

式中：GfI為ITO薄膜的I型斷裂能；σt為材料的抗拉強度。

在ITO薄膜層開裂階段，剪切模量為：

式中：G為薄膜開裂前的剪切模量；ρ（eckmn）為剪切保留因子；eckmn為裂紋張開應變；eckmax與p為材料參數(shù)。

在研究復合材料的界面損傷中，常用內(nèi)聚力模型模擬層間失效形式[14]。本文通過在ITO薄膜與玻璃基底之間的磁控濺射結(jié)合區(qū)域建立內(nèi)聚力接觸模型，表征磨粒切削過中材料的分層等力學行為，其中內(nèi)聚力模型如圖3所示。

在損傷起始階段，張力-位移為線彈性關系，內(nèi)聚力模型關系表達式為：

τ=Kδ""" （8）

式中：τ為內(nèi)聚區(qū)域所受張力；δ為分離位移；K為內(nèi)聚區(qū)域剛度。

式中：E為內(nèi)聚區(qū)域模量；Heff為內(nèi)聚區(qū)域?qū)嶋H厚度。

根據(jù)二次應力準則，當應力達到初始損傷準則時，損傷演化階段開始。當能量釋放率達到臨界值時，損傷演化階段結(jié)束，其中臨界斷裂能在數(shù)值上等于張力位移曲線所圍成面積：

式中：Gc為臨界斷裂能；δf為最大張開量位移；τmax為損傷起始應力。

2" 仿真結(jié)果與分析

2.1" 材料去除機理

脆性材料的主要去除方式有脆性斷裂去除、粉末去除和延性去除。脆性斷裂去除是由空隙和裂紋的形成、擴展、剝落和碎裂導致的，這種方式通常會對材料的表面或亞表面造成損傷；粉末去除涉及晶界和晶格間的微破裂碎，晶粒破碎成更細小的顆粒，形成粉末狀碎屑；延性去除是在磨粒的耕犁下形成塑性切屑，且切屑斷裂時不會使裂紋擴散至已加工工件的亞表面[15-17]。

薄膜復合材料的失效主要涉及張力作用下微裂紋的擴展。目前，內(nèi)聚斷裂和界面分層被認為是薄膜材料的主要失效模式[6]。內(nèi)聚斷裂是脆性薄膜在張力作用下的開裂，常見形式是通道斷裂。界面分層是由于薄膜與基材間的黏附性差而導致的屈曲分層。與玻璃基底相比，附著其上的ITO薄膜具有較大的楊氏模量。磨粒切削時，玻璃基底和ITO薄膜間存在的彈性失配，會導致基底出現(xiàn)環(huán)形裂紋，薄膜出現(xiàn)分層裂紋[18]。同時，由于薄膜層與基底的損傷強度不同，在磨粒的作用下，基底會提前崩碎，而薄膜層會因襯底損壞而產(chǎn)生應力集中，進一步形成脆性開裂。

2.2" 切削形貌分析

在ITO導電玻璃的單顆磨粒切削仿真中，切削深度為0.4 μm、切削速度為2 500 mm/s的單顆磨粒切削ITO導電玻璃的應力云圖如圖4所示。圖4a為在2.3 μs時刻的磨粒與工件的相對位置，此時磨粒經(jīng)過一段時間的切削，已實現(xiàn)材料的穩(wěn)定去除。由圖4a可知，磨粒在工件表面留下的切痕形貌主要由切入工件的磨粒形狀決定。圖4b為隱藏磨粒后ITO導電玻璃表面形貌。在切削過程中，應力主要集中于工件與磨粒的前端接觸區(qū)域，當ITO薄膜達到損傷強度時，薄膜單元失效移除，脆性薄膜材料的晶粒碎裂成更小的顆粒，以粉末的形式去除。此外，在切痕邊緣存在一定的殘余應力，這是薄膜層與玻璃基底之間的彈性失配導致的。

圖4c為ITO薄膜層，此刻切痕邊緣存在大量的“毛刺”，這是由于切削時，切痕邊緣的ITO薄膜單元未能達到損傷標準，但襯底的玻璃單元早已提前損壞，在磨粒的擠壓下薄膜邊緣產(chǎn)生應力集中，導致切削過程中的脆性斷裂去除，所以切痕形貌較為粗糙。圖4d為玻璃基底，此時薄層部分應力傳遞至基底，同時由于微尺度下的磨粒切削，其尖端引起玻璃塑性變形，導致玻璃基底在磨粒尖端的前方形成1個環(huán)形的應力集中區(qū)域，進而導致玻璃單元在未與磨粒接觸的情況下，提前達到損傷準則，出現(xiàn)材料加工過程中的亞表面損傷。

2.3" 切削階段分析

磨粒切入階段的應力云圖如圖5所示。由圖5a可知，磨粒與ITO薄膜層開始接觸時，產(chǎn)生的應力呈波紋狀擴散，磨粒棱角首先與ITO薄膜單元接觸，使其局部應力增大，當應力達到材料的損傷準則時，薄膜單元碎裂破壞。隨著磨粒的進一步切入，應力逐漸向工件內(nèi)部傳遞。由圖5b可知，在ITO薄膜單元的變形與磨粒的擠壓共同作用下，薄膜底部的玻璃基底出現(xiàn)局部變形，同時在磨粒切入點的邊緣處產(chǎn)生應力集中，此時層間內(nèi)聚力區(qū)域達到損傷起始標準，ITO薄膜層與玻璃基底之間出現(xiàn)分層現(xiàn)象。由圖5c可知，在磨粒作用下，薄膜層的玻璃襯底出現(xiàn)塑性流動，因為玻璃基底的損傷強度小于ITO薄膜層的，隨著應力的增大，玻璃基底率先被壓潰，隨后薄膜單元在磨粒的擠壓中逐漸斷裂。由圖5d可知，隨著磨粒尖端處切入工件，材料進入穩(wěn)定去除階段，磨粒前方薄膜材料單元受磨粒擠壓直接破碎，磨粒側(cè)方單元因應力集中而脆性斷裂去除，同時底部的玻璃在磨粒作用下形成延性去除。

磨粒切出階段的應力云圖如圖6所示。由圖6a可知，隨著磨粒達到工件邊緣，在磨削力的作用下，層間內(nèi)聚接觸模型達到失效準則，薄膜與基底逐漸分層。與磨粒刃部接觸的薄膜單元逐漸開裂，使薄膜層上出現(xiàn)裂紋。由圖6b可知，在磨粒切出過程中，薄膜襯底的玻璃單元變形過大提前損壞，出現(xiàn)層間裂紋。磨粒前方兩側(cè)的薄膜受到斜向下方的作用力，薄膜脆性開裂形成通道裂紋。由圖6c可知，在磨粒的作用下，薄膜層上的裂紋逐漸貫通，形成薄膜層內(nèi)和層間的界面間斷裂，片狀薄膜切屑逐漸被剝離，后續(xù)階段磨粒的切削力顯著降低。由圖6d可知，隨著磨粒的切出，片狀薄膜切屑從基底分離，在磨粒的擠壓下，工件邊緣的玻璃基底出現(xiàn)損傷。

2.4" 切削力分析

當切削深度為0.4 μm、切削速度為2 500 mm/s時，單磨粒切削力隨時間變化的關系如

圖7所示。由圖7可知，在磨粒切入階段，隨著磨粒切入工件體積的增大，切削力逐漸增大；當磨粒完全切入工件時，切削力的波動穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)；最后隨著磨粒的切出，切削力也相應降低。

磨粒切入時首先接觸ITO薄膜層，而薄膜層的硬度高、彈性模量大、損傷強度大，所以切削力在切入點波動明顯。在磨粒切出階段，切削力在某一時刻顯著降低，這是由于磨粒切出時出現(xiàn)了薄膜大片切屑的剝離現(xiàn)象，導致后續(xù)切削主要作用于玻璃基底，切削力在較小的波動下逐漸降低。此外，磨粒在X方向與Y方向上的切削力曲線有一定程度的重合，這是因為材料的脆性斷裂特性使2個方向上的切削力波動頻率一致，同時磨粒的形狀均勻?qū)е螺敵鰠⒖键c的X、Y方向的作用力大小相近。在Z方向上，磨粒切削過程中兩側(cè)受力相互抵消，使得Z向的切削力始終在0附近波動。

不同切削參數(shù)下，磨粒切削ITO導電玻璃的切向力如圖8所示。由圖8可知，磨粒切向力與切削速度、切削深度均呈正相關，且隨著切削速度的增加，切向力受切削深度的影響加劇。此外，當切削深度lt;0.2 μm時，切向力隨切削速度變化較小，這是由于材料的薄膜層厚度為0.2 μm。當切削深度低于薄膜層厚度時，磨粒主要去除薄膜層單元。當切削深度高于薄膜層厚度時，切向力受薄膜、基底和內(nèi)聚力模型的共同影響，對切削速度變化更為敏感。

鈉鈣玻璃是ITO導電玻璃的基底材料，在切削深度為0.4 μm、切削速度為2 500 mm/s的條件下分別對ITO導電玻璃和鈉鈣玻璃進行切削，得到切向力隨切削時間變化的曲線如圖9所示。由圖9可知，ITO導電玻璃在整個切削過程中的切削力數(shù)值更大且波動更劇烈，這是由于ITO薄膜的楊氏模量大、硬度高且材料強度高。

當切削速度為2 000 mm/s時，磨粒切削2種材料產(chǎn)生的切向力隨切削深度變化的情況如圖10a所示。由圖10a可知，切向力隨切削深度的增大而增大，其中切削ITO導電玻璃所需的力更大，受切削深度影響更大。此外，磨粒的形狀導致后續(xù)切入的體積變化減緩，切向力隨切削深度的變化變緩。ITO薄膜的密度、硬度和楊氏模量等材料屬性都高于鈉鈣玻璃的，當切削深度接近薄膜厚度時，ITO薄膜對磨粒切削影響顯著。當切削深度為0.4 μm時，磨粒切削2種材料產(chǎn)生的切向力隨切削速度變化的情況如圖10b所示。隨著切削速度的增加，2種材料的切向力逐漸增大，但切削ITO導電玻璃產(chǎn)生的切向力的變化速率高于鈉鈣玻璃的。

2.5" 殘余應力分析

ITO薄膜層與玻璃基底的彈性失配會導致切削過程中產(chǎn)生一定的殘余應力，這種應力的存在容易引起裂紋的擴展，使薄膜系統(tǒng)出現(xiàn)分層、開裂等失效形式，進而影響ITO導電玻璃的材料性能。理想狀態(tài)下，ITO導電玻璃經(jīng)退火后完全去除內(nèi)應力。在切削深度為0.4 μm、切削速度為2 500 mm/s的單顆磨粒切削條件下，劃痕邊緣沿切削路徑分布的等效殘余應力分布如圖11所示。

對比ITO薄膜層與玻璃基底上的殘余應力可以得出，ITO薄膜層上的殘余應力大于玻璃基底的內(nèi)應力，且薄膜層的殘余應力曲線波動更為劇烈，玻璃基底的殘余應力曲線則更為平緩，這是因為薄膜層受本身材料特征強度和基底的剛度約束，抑制薄膜上裂紋的擴展，使殘余應力難以釋放。同時，殘余應力曲線與加工后工件表面形貌輪廓也有一定程度的相似。由此可見，ITO導電玻璃在磨粒切削后產(chǎn)生的層間內(nèi)應力失配現(xiàn)象，是引起薄膜系統(tǒng)失效、影響材料性能的重要原因。

在切削速度為2 500 mm/s的條件下，殘余應力隨切削深度變化的曲線如圖12a所示。其中薄膜層上的殘余應力隨切削深度的增大而增大，玻璃基底上的殘余應力隨切削深度的變化較小，這是由于玻璃的脆性材料特性，ITO薄膜內(nèi)部應力易于通過變形與裂紋釋放。

在切削深度為0.4 μm的條件下，殘余應力隨切削速度變化的曲線如圖12b所示。玻璃基底上的殘余應力同樣隨切削速度變化較小，ITO薄膜上的殘余應力隨著切削速度的增加呈現(xiàn)先降低后上升的趨勢，最低點出現(xiàn)在切削速度為1 500 mm/s時。這是由于當磨粒的切削速度較低時，工件承受壓力負載時間較長，材料在切削過程中累積的應變在短時間內(nèi)未能得到充分釋放，所以殘余應力處在較高的水平。當切削速度超過1 500 mm/s時，速度提升使得切削產(chǎn)生的能量增大，導致工件內(nèi)部應力增大。當工件局部內(nèi)應力達到臨界值時，材料會通過微小變形或裂紋而釋放能量，所以ITO薄膜層殘余應力隨切削速度的增加整體呈現(xiàn)先降低后上升最后趨于平緩的趨勢。

3" 結(jié)論

基于ITO導電玻璃的微觀結(jié)構(gòu)，建立了ITO導電玻璃的材料模型，采用JH-2力學本構(gòu)作為玻璃基底的材料模型，采用Brittle Cracking模型作為ITO薄膜的材料模型，利用Cohesive Behavior接觸模型模擬層間結(jié)合形式，得出以下結(jié)論。

（1）ITO導電玻璃在磨粒切入和切出過程中會出現(xiàn)分層和通道開裂等失效形式。當達到穩(wěn)定去除階段時，磨粒前方薄膜單元粉碎去除，磨粒底部的玻璃單元在層間內(nèi)聚力的作用下提前失效，切痕邊緣的薄膜由于襯底損壞而產(chǎn)生應力集中，受磨粒擠壓而脆性斷裂去除。

（2）ITO導電玻璃的脆性材料特性，導致切削力在整個切削過程中波動劇烈。當磨粒開始切入時，切削力逐漸增大；當磨粒完全切入時，切削力的波動穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)；當磨粒切出時，切削力又逐漸增小。

（3）對比不同切削參數(shù)下的切向力，得出切向力與切削速度和切削深度呈正相關。隨著切削速度的增加，切向力受切削深度的影響加劇。當切削深度大于薄膜層厚度時，切向力受薄膜、基底和內(nèi)聚力接觸的共同影響，對切削速度的變化更為敏感。

（4）與鈉鈣玻璃相比，磨粒切削ITO導電玻璃所需的切削力更大，且受切削參數(shù)的影響更大。當磨粒切削深度接近于薄膜厚度時，ITO薄膜的存在顯著影響玻璃的切削性能。

（5）ITO薄膜層受本身材料特征強度和基底的剛度約束，抑制了薄膜上的裂紋擴展，因此ITO薄膜上的殘余應力相較于玻璃基底更大，且隨切削路徑的波動更劇烈。ITO薄膜上的殘余應力隨切削深度的增加而增大，隨切削速度的增加呈現(xiàn)先降低后上升的趨勢，最低點出現(xiàn)在切削速度為1 500 mm/s時。

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