Weihao Ma、Jiahui Li和Xi Hou等来自中国科学院光电技术研究所和国家光学场操纵科学技术重点实验室的研究团队，于2023年6月在《International Journal of Mechanical Sciences》期刊（Volume 258, Article 108572）发表了一项关于弹性发射加工（Elastic Emission Machining, EEM）中材料去除机理的原创研究。该研究通过建立三维流体-结构耦合模型和滚动模型，揭示了EEM技术实现原子级超光滑表面加工的物理化学机制，并验证了流体能量在原子去除过程中的主导作用。

学术背景

EEM是一种结合物理与化学原理的非接触式超精密抛光技术，广泛应用于现代光学前沿领域（如极紫外光刻、先进光源等）所需的原子级光滑表面制造。传统机械加工技术基于塑性变形，难以避免工件缺陷的增殖，而EEM通过纳米颗粒与工件表面的化学吸附作用选择性去除表面原子，可实现无亚表面损伤的加工。然而，抛光轮与抛光液的动态相互作用机制以及原子级去除的能量传递路径尚不明确，制约了该技术的进一步优化与应用。本研究旨在建立EEM的三维材料去除模型，阐明流体能量如何通过颗粒传递至工件表面原子，从而为提升材料去除率提供理论依据。

研究流程与方法

1. 流体-结构耦合模型构建
   研究团队首先建立了包含抛光轮、抛光液和工件的三维动态耦合模型。抛光轮采用聚氨酯材料（杨氏模量60 MPa），工件为单晶硅（厚度500 μm），初始抛光间隙设定为1 μm。通过有限元法（FEM）分析抛光轮的弹性变形，结合计算流体动力学（CFD）求解Navier-Stokes方程，模拟层流状态下抛光液的流动特性。模型采用迭代算法实现流体压力与结构变形的双向耦合，收敛条件为监测点流速变化小于2%。

2. 颗粒运动与能量传递分析
   在稳定流场基础上，释放直径100 nm的SiO₂颗粒作为离散相，计算其受斯托克斯阻力（Stokes drag force）、虚拟质量力（virtual mass force）和萨夫曼升力（Saffman lift force）后的运动轨迹。当颗粒接触工件表面后，其运动模式从滑动转变为滚动，通过微杠杆模型（micro-lever model）放大流体剪切力，化学吸附形成的Si-O-Si键桥（bonding bridge）优先断裂工件表面原子的背键（back bond）。分子动力学（MD）模拟显示，化学吸附使背键能量从3.73 eV降至可克服阈值。

3. 实验验证与性能评估
   采用自主搭建的EEM设备（含抛光臂和位移平台）进行定点抛光实验，抛光液为5%浓度SiO₂纳米颗粒悬浮液。通过原子力显微镜（AFM）表征抛光前后表面形貌，结果显示表面粗糙度（RMS）从0.328 nm降至0.099 nm。功率谱密度（PSD）分析证实EEM对纳米至微米级空间波长粗糙度均具有修正能力。

主要结果

1. 流体-结构相互作用
   抛光轮在600 rpm转速下最大变形量达2.5 μm，最小间隙向抛光液出口侧偏移。剪切应力分布显示，高转速加剧流场偏心状态，最大剪切应力区域向出口侧移动（图10）。颗粒以近水平角度接触工件，垂直方向作用力极小，避免了机械损伤。

2. 原子去除机制
   MD模拟表明，化学吸附导致电子向表层原子聚集（图13c），背键离子性增强。滚动模型中，颗粒旋转10°（水平位移8.9 nm）即可提供断裂背键所需能量，其中流体贡献占比超过80%（图17）。单个颗粒单次接触可去除多个原子，材料去除体积与颗粒直径呈正相关（80 nm颗粒比100 nm颗粒去除率降低59.6%）。

3. 工艺优化路径
   材料去除率取决于有效颗粒数量、单颗粒去除原子数及流体能量输入。提高转速（400→600 rpm）可使去除深度增加47%，但需平衡设备精度要求。

结论与价值

本研究首次量化了EEM中流体能量通过颗粒滚动传递至原子尺度的全过程，提出的滚动模型为超光滑表面确定性加工提供了理论框架。其科学价值在于揭示了非接触抛光中化学-机械协同作用的微观机制；应用价值体现在通过调控流体参数（如转速、间隙）可定向优化材料去除率。实验获得的0.1 nm RMS表面验证了EEM在光学元件制造中的卓越潜力。

研究亮点

1. 方法论创新：开发了融合CFD-MD的多尺度模型，首次将流体宏观剪切流与原子级断裂能量关联。
   
2. 机理突破：发现流体能量通过微杠杆放大是原子去除的主因，修正了传统认为颗粒动能主导的观点。
   
3. 工艺指导：提出通过增大颗粒直径、优化流场偏心度等提升去除率的具体路径。
   

其他发现

研究还指出EEM对纳米级峰点的优先去除特性（图20d），这一自选择效应是其实现原子级平滑的关键。该成果为同类技术（如纳米颗粒喷射抛光、化学机械抛光）的机理研究提供了范式参考。