Case Example: High-Precision SiC Mirror Base

A recent aerospace project required a SiC mirror base with: Flatness: 1/20 λ Surface roughness: Ra 0.003 µm Tolerance: ±0.001 mm Process route: Pre-grinding → 2. Ultrasonic finishing → 3. CMP polishing → 4. Optical interferometric inspection The final part achieved optical-grade smoothness and zero edge chipping, demonstrating the capability of controlled SiC precision machining.

Inspection and Quality Control

Precision machining of SiC requires stringent inspection at each process stage: Inspection Method Measurement Capability Purpose Coordinate Measuring Machine (CMM) ±1 µm Dimensional accuracy Optical Interferometer λ/20 flatness Surface profile & optical quality SEM / Optical Microscopy 1000× Detect subsurface cracks Surface Roughness Tester Ra < 0.01 µm Surface finish validation Parts used in semiconductor and optical systems typically demand zero visible subsurface defects under 200× magnification.

Process Optimization Techniques

Fixturing and Vibration Control Because SiC is brittle, minimizing vibration is critical. Use rigid fixtures, precision spindles, and balanced tooling. Vacuum or mechanical clamping systems should ensure even stress distribution without point loading. Coolant and Lubrication Continuous coolant flow removes debris and prevents localized heating. For fine finishing, a water-soluble oil or ionized water mist is preferred to avoid contamination and ensure consistent surface quality. Tool Path Programming CAM software must generate smooth tool paths with minimal direction changes. Sudden tool acceleration can cause micro-chipping at corners. Process Monitoring Integrating acoustic emission sensors or force monitoring helps detect tool wear and crack initiation in real-time, improving yield in high-precision production.

如何高精度加工碳化硅陶瓷

Q: Process Optimization Techniques

Fixturing and Vibration Control Because SiC is brittle, minimizing vibration is critical. Use rigid fixtures, precision spindles, and balanced tooling. Vacuum or mechanical clamping systems should ensure even stress distribution without point loading. Coolant and Lubrication Continuous coolant flow removes debris and prevents localized heating. For fine finishing, a water-soluble oil or ionized water mist is preferred to avoid contamination and ensure consistent surface quality. Tool Path Programming CAM software must generate smooth tool paths with minimal direction changes. Sudden tool acceleration can cause micro-chipping at corners. Process Monitoring Integrating acoustic emission sensors or force monitoring helps detect tool wear and crack initiation in real-time, improving yield in high-precision production.

在当今的材料行业、碳化硅陶瓷无疑是最坚硬、最耐用的陶瓷材料。由于其超强的硬度（莫氏硬度 9.5）、高导热性和耐化学性，它经常被用于航空航天、半导体设备、机械密封件和其他领域。

然而，SiC 加工极为困难。传统技术无法达到半导体应用所需的精度和表面光洁度，需要专门的工艺和工具才能满足高端制造的要求。

接下来，我将简要介绍如何对碳化硅陶瓷进行高精度加工。

碳化硅的材料特性

在讨论加工方法之前，了解碳化硅的物理特性对于选择正确的加工工艺至关重要。

财产	典型值	对机械加工的影响
硬度	9.5 莫氏	仅需金刚石工具
密度	3.1 克/立方厘米	高硬度，低切削性
导热性	120-270 W/m-K	磨削时散热效果极佳
断裂韧性	3-4 MPa-m¹/²	脆--边缘易崩裂
最高使用温度	>1600°C	适用于极端环境

极高的硬度和脆性意味着 塑性变形极小和 主要通过脆性断裂和微裂纹去除材料.这使得加工参数，尤其是进给速度、切削深度和刀具几何形状，变得非常敏感。

加工挑战

加工碳化硅涉及三大挑战：

工具磨损：
由于金刚石材料具有极高的硬度和磨蚀性，即使是金刚石工具也会出现快速磨损。
表面完整性：
不适当的进料或速度会导致表面下裂纹，从而削弱部件的强度，尤其是在真空或高压力环境下。
热效应
研磨或抛光产生的过热会导致微观结构损坏或相变。

要同时实现尺寸精度和无缺陷表面，需要在以下两个方面取得平衡 材料去除率 (MRR) 与 表面质量.

碳化硅的加工方法

金刚石磨削

金刚石磨削仍然是加工碳化硅零件最常用的方法。根据所需的精度和去除率，可使用树脂结合剂或金属结合剂金刚石砂轮。

粗磨：
粒度 #80-#120，高 MRR，用于粗加工。
精细研磨：
粒度 #400-#800，抛光前使用。
超细研磨
粒度 #1000-#3000，表面粗糙度 Ra < 0.05 µm。

流程提示：

保持稳定的冷却液流量，防止热冲击。
使用低进给速度（精细级≤0.02 毫米/分钟）。
经常对车轮进行修整，以保持钻石的曝光率。

可实现的典型公差： ±2-5 微米表面粗糙度 Ra 0.02-0.05 微米.

使用金刚石刀具进行数控铣削

对于复杂的几何形状，可使用配备金刚石涂层或 PCD 刀具的 4 轴或 5 轴数控铣床。

主要考虑因素：

主轴转速 20,000-60,000 转/分钟
进料速度： 10-50 毫米/分钟
切割深度 每次通过 1-10 微米
冷却液： 精确流量控制的空气或油雾

这种工艺可以制造出 精密孔、槽和 3D 轮廓 在碳化硅衬底中，同时保持尺寸精度达 ±0.001 毫米

典型应用

半导体设备：
碳化硅晶片载体、感应器和蚀刻室组件具有高导热性和耐等离子体性。
航空航天
用于发动机和热保护系统的轻质结构部件和高温轴承。
光学系统：
要求尺寸稳定和热膨胀率低的镜面基板和望远镜结构。
真空和激光系统：
具有出色刚度和超平表面的结构支架和外壳。

常见问题

案例举例：高精度 SiC 镜座

最近的一个航空航天项目需要 碳化硅镜座 用：

平整度： 1/20 λ
表面粗糙度：Ra 0.003 µm
公差：±0.001 毫米

加工路线：

预研磨 → 2.超声波抛光 → 3.CMP 抛光 → 4.光学干涉检测

最终零件实现了光学级的光滑度和零边缘崩边，证明了受控碳化硅精密加工的能力。

检查和质量控制

碳化硅的精密加工要求在每个加工阶段都进行严格的检查：

检查方法	测量能力	目的
坐标测量机 (CMM)	±1 微米	尺寸精度
光学干涉仪	λ/20 平整度	表面轮廓和光学质量
扫描电镜/光学显微镜	1000×	检测地下裂缝
表面粗糙度测试仪	Ra < 0.01 µm	表面光洁度验证