0.8納米！我國(guó)團(tuán)隊(duì)用“等離子熨斗”讓金屬表面光滑如鏡

深夜的半導(dǎo)體實(shí)驗(yàn)室里，工程師小王正為一塊多晶錫片的表面瑕疵發(fā)愁——這些納米級(jí)的“褶皺”直接影響著極紫外光光源的穩(wěn)定性。此刻，一臺(tái)形似“電吹風(fēng)”的設(shè)備噴出藍(lán)色火焰，金屬表面如同被無(wú)形熨斗撫平，粗糙度從8.53納米驟降至0.8納米。這是天津大學(xué)團(tuán)隊(duì)研發(fā)的等離子輔助切割技術(shù)（PaC）創(chuàng)造的奇跡，相關(guān)成果已發(fā)表于《機(jī)械工程前沿》。

納米級(jí)“褶皺”困局

多晶錫是極紫外光光源的核心材料，但其表面遍布肉眼不可見(jiàn)的“接縫”——晶界。這些微米級(jí)的結(jié)構(gòu)缺陷會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)致命問(wèn)題：加工時(shí)產(chǎn)生“臺(tái)階效應(yīng)”（表面粗糙度達(dá)10納米以上），以及長(zhǎng)期使用中因殘余應(yīng)力引發(fā)材料變形。傳統(tǒng)單點(diǎn)金剛石車削（SPDT）技術(shù)如同在沙地上作畫(huà)，即便使用最精細(xì)的“納米刻刀”，也無(wú)法消除材料自身的結(jié)構(gòu)缺陷。

研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，晶界就像金屬的“關(guān)節(jié)”，不同晶粒的變形差異會(huì)形成納米級(jí)起伏。更棘手的是，多晶錫熔點(diǎn)僅232℃，加工時(shí)極易發(fā)生“黏刀”現(xiàn)象，進(jìn)一步惡化表面質(zhì)量。此前，科學(xué)家嘗試用激光重熔消除晶界，但設(shè)備復(fù)雜且成本高昂，猶如用“手術(shù)刀切西瓜”——難以精準(zhǔn)控制。

給金屬做“微創(chuàng)整形”

團(tuán)隊(duì)提出創(chuàng)新方案：先用高溫等離子體“熨平”晶界，再用金剛石刀具精修。感應(yīng)耦合等離子體（ICP）裝置噴出1500℃的氬氣等離子流，能在3秒內(nèi)將表層晶粒從20微米“熔合”為毫米級(jí)單晶區(qū)域（圖7）。這相當(dāng)于用“納米電熨斗”消除90%的晶界，使材料表面接近單晶狀態(tài)。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示（圖9），經(jīng)過(guò)0.9千瓦等離子處理的多晶錫，SPDT加工后表面粗糙度（Sa值）從8.53納米降至0.80納米，降幅達(dá)90.6%。殘余應(yīng)力更從41.6兆帕降至10.7兆帕，相當(dāng)于把緊繃的彈簧換成記憶棉——材料穩(wěn)定性顯著提升。團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人房豐洲教授比喻：“這就像先給金屬敷上面膜，再精細(xì)雕琢?！?/p>

從實(shí)驗(yàn)室到生產(chǎn)線

在模擬工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的測(cè)試中（圖15），該技術(shù)展現(xiàn)出驚人適應(yīng)性：直徑10毫米的錫片經(jīng)3秒處理即可形成1.24毫米厚的“單晶層”，加工效率比傳統(tǒng)激光法提升5倍。更關(guān)鍵的是，整套設(shè)備無(wú)需真空環(huán)境，氬氣成本僅為激光氣體的1/20，如同“把核磁共振儀升級(jí)成便攜B超”。

研究團(tuán)隊(duì)透露，這項(xiàng)技術(shù)已應(yīng)用于高精度光學(xué)元件制造。未來(lái)或可拓展至銅、鋁等軟金屬加工領(lǐng)域，為芯片制造、航天精密零件提供新方案。正如論文通訊作者賴敏所說(shuō)：“我們要讓納米加工從‘精雕細(xì)琢’變?yōu)椤看蛴　！?/p>

技術(shù)解碼

晶界：多晶材料中不同晶粒的交界處，如同瓷磚接縫，易引發(fā)應(yīng)力集中

殘余應(yīng)力：加工過(guò)程中殘留在材料內(nèi)部的應(yīng)力，可能導(dǎo)致變形開(kāi)裂

等離子熨平：通過(guò)高溫梯度使表層晶粒融合，減少內(nèi)部“接縫”

行業(yè)展望：該技術(shù)有望將極紫外光光源穩(wěn)定性提升30%，推動(dòng)7納米以下芯片制程突破。在核聚變靶材、太空反射鏡等領(lǐng)域，納米級(jí)表面加工正從“實(shí)驗(yàn)室奢侈品”變?yōu)椤肮I(yè)必需品”。