为研究单晶硅超精密切削特性, 采用纳米压痕仪配合Berkovich金刚石压头对单晶硅<100>晶面进行纳米压痕与纳米划痕实验。纳米压痕实验分别以10、30 和50 mN载荷将压头压入单晶硅表面, 发现30 mN载荷下载荷-位移曲线产生微小波动, 而在50 mN载荷下发生“pop-out”现象, 说明材料此时有突然的应力变化并有脆性破坏发生, 预测了单晶硅脆塑转变的临界载荷略小于30 mN。开展变载荷纳米划痕实验, 用0~100 mN的载荷刻划单晶硅表面, 根据载荷-位移曲线观察到单晶硅在变载荷刻划中分为弹塑性去除和脆性去除阶段。弹塑性去除阶段, 载荷-位移曲线波动平稳, 而脆性去除阶段曲线波动较大, 得到单晶硅脆塑转变的临界载荷为27 mN, 临界深度为392 nm。通过恒载荷纳米划痕实验, 在塑性加工域内分别以5、10和20 mN的恒载荷刻划单晶硅表面, 并通过扫描电子显微镜(SEM)观察恒载荷划痕后的单晶硅表面形貌, 分析刻划数据发现切削力和弹性回复率随着载荷的增加而增大, 摩擦系数则先增大后减小。因此单晶硅超精密切削加工应选择合理的载荷, 并充分考虑弹性回复的影响。

基于分子动力学方法,对石英玻璃进行了三维的纳米划痕仿真,用来研究其纳米加工性能。采用熔融-淬火的办法建立了石英玻璃的模型,并通过观察模型的截面图,分析了在制备过程中内部微观孔隙的形成过程和原因。在仿真过程中,观察了石英玻璃的变化和孔隙周围原子的运动,得到了切削力的曲线,重点研究了内部的微观空隙对划痕过程的影响。仿真结果表明: 当石英玻璃冷却时,由于内部共价键的重组,会形成平均半径为0.25 nm的微观的孔隙,而且其降低了石英玻璃的纳米加工性能,使得切削力的曲线发生一定程度的波动。当磨粒划过表面后,会在表面以下形成厚度为2 nm的原子密集堆积区。由于稠密区的原子共价键键长的变化,失去了原有共价键的强度,所以会形成加工的损伤层。因此在对石英玻璃超精密加工时,应采用少量多次的加工方法来提高材料的加工性能。

介绍了Li2O-Al2O3-SiO2微晶玻璃的加工特点。基于纳米划痕技术对Li2O-Al2O3-SiO2微晶玻璃进行了纳米划痕实验，测得微晶玻璃材料脆延转变临界切削深度和临界载荷的平均值分别为125.6 nm和29.78 mN。将实验所得临界切削深度值与基于压痕断裂力学模型建立的脆延转变临界切削深度计算值进行了对比，结果表明，T. G. Bifano基于显微压痕法给出的临界切削深度计算值与实验结果差别较大，结合实验结果对其公式进行了修正；基于压痕断裂力学模型建立的延性域磨削临界切削深度计算值与实验结果相差较小，并分析了产生差异的原因。

为实现单晶蓝宝石的延性研磨加工，采用纳米压痕和划痕法测试并分析了单晶蓝宝石(0001)面的微纳力学特性，建立了单颗圆锥状磨粒的压入模型并计算了延性研磨加工的受力临界条件，分析了金刚石磨粒嵌入合成锡研磨盘表面的效果。对单晶蓝宝石进行了延性研磨加工试验，采用NT9800白光干涉仪、扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)等方法分析了单晶蓝宝石的延性研磨表面特征。试验结果表明：采用纳米压痕和划痕法可以为单晶蓝宝石的延性研磨加工提供工艺参数，单晶蓝宝石的延性堆积的极限深度为100 nm，金刚石磨粒的嵌入及在适当载荷下可以实现蓝宝石的延性研磨加工，实验条件下的最佳载荷为21 kPa，延性研磨后单晶蓝宝石表面划痕深度的分布情况较好，分散性小，研磨后的表面发生了位错滑移变形。