单晶材料纳米级切削机理的研究

摘要

单点金刚石车削加工是现代超精密加工技术的前沿领域之一。它能够通过切学直接获得纳米级表面质量的光学元件。在加工过程中，为了使脆性材料加工表现出塑性特性，往往需要把切削深度控制在纳米量级。采用传统的切削理论已经很难准确地理解其切削机理。在此背景下，分子动力学模拟成为了一个强有力的工具，它可以在原子级量级上对切削机理进行深入的研究。
　　 本文系统进行了单点金刚石切削纳米级加工的分子动力学仿真和实验验证。为了使分析研究更接近实际，在已有分子动力学仿真理论和对实际单点金刚石刀具刃口半径测量的基础上，建立了切削刀具三维分子动力学模型，并进行了相关切削仿真研究。本文针对单晶材料纳米级切削过程主要进行了以下研究。
　　 ●建立了单晶硅纳米级切削过程MD模型，并针对模型中工件的不同边界条件进行探讨和相关仿真研究。通过对模拟结果的比较分析，提出了在底部和退刀侧施加边界条件能够更准确的进行单晶硅的分子动力学仿真。并对Tersoff势能参数进行了探讨与研究。
　　 ●基于分子动力学仿真对于材料的去除方式进行了研究。根据不同刀具形状及切削角度详细讨论了材料的去除方式。
　　 ●根据切削过程中实际的刀具状态，建立了与刀具更相符的三维分子动力学仿真模型。通过分析切屑的形成形状和生成位置等方面验证了该三维分子动力学仿真切削更接近实际切削状态。对单晶硅的进行了斜向切削分子动力学仿真，得到脆性材料去除方式分为两个阶段，即弹性变形，塑性去除；在切深小于0.314nm时，切削只发生弹性变形；当切深大于0.314nm时，工件材料发生塑性去除。对于切屑的晶格状态，在边缘变为非晶状态，内部为单晶态。并通过白光干涉仪得到，弹性变形和塑性去除的临界深度为0.0003μm，该结果与单晶硅分子动力学模拟得到的结是相一致的。
　　 ●为获得纳米刃口的微刀具，利用聚焦离子束技术(FIB)进行了微刀具的制备。利用制备的刃口半径为10nm的微刀具，对单晶铜进行纳米切削分子动力学仿真实验。得到切削过程同样发生弹性变形和塑性去除，测得临界切削厚度为0.512nm。针对单晶铜进行了纳米级切削实验。通过透射电镜观察，发现铜屑边缘变为非晶状态，内部为单晶状态。自行制备了单晶铜被切削表面TEM样品，通过TEM衍射得到在边缘处为非晶态，但在内部为单晶态，由此验证了脆性材料发生塑性变形的必要条件是其在非晶态下切削。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1课题研究的目的及意义

1.2超精密加工机理研究方法及国内外研究现状

1.1.1解析建模法

1.1.2分子动力学模拟研究

1.3超精密切削实验

1.4本课题的主要研究工作与各章主要内容

第二章 分子动力学仿真程序的设计

2.1引言

2.2分子动力学仿真

2.2.1背景

2.2.2分子动力学仿真的基本思想和理论基础

2.2.3牛顿运动方程式的数值解法

2.2.4周期性边界条件与最小镜像

2.3分子动力学计算流程

2.3.1模型的建立

2.3.2给定初始条件

2.3.3趋于平衡的计算

2.3.4宏观物理量的计算

2.4纳米级切削分子动力学仿真

2.4.1单晶硅切削仿真势能函数的选择

2.4.2原子间相互作用力的形式

2.4.3驰豫模型

2.4.4单多晶结构变化

2.5本章小结

第三章 单晶硅纳米切削过程模型建立与研究

3.1经典二维或二点五维模型的建立

3.2仿真结果的分析与讨论

3.2.1切削厚度

3.2.2切削力

3.2.3不同边界条件切削仿真的比较

3.2.4能量

3.3材料去除方式的研究

3.4 Tersoff势能函数的发展及优缺点的讨论

3.4.1基于硅特性结构新的经验势能模型

3.4.2针对硅结构性质提出的一种新的经验势能模型

3.4.3基于共价系统的结构和能量的新的经验方法

3.4.4经过改善的弹性系数的硅原子的分子间的经验势

3.4.5多体系统的分子作用势

3.4.6势能的激发形式

3.4.7不同势能函数结果与分析

3.5本章小结

第四章 三维纳米切削过程模型的建立与研究

4.1三维仿真模型的建立

4.2正交切削

4.2.1切削条件

4.2.2仿真结果的分析与讨论

4.3斜向切削

4.3.1切削模拟

4.3.2切削力

4.4二点五维与三维分子动力学仿真的比较

4.5单晶铜微刀具3维分子动力学仿真模拟

4.5.1单晶铜切削仿真势能函数的选择

4.5.2斜向切削

4.5.3切削力

4.6本章小结

第五章 纳米切削结果实验验证与分析

5.1切削实验的发展状况

5.2单晶铜斜向切削实验研究

5.2.1材料的选取

5.2.2小刃口半径刀具的制备与切削研究

5.2.3白光干涉仪表面形貌观察

5.2.4 TEM透射样品制备及分析

5.3单晶硅切削实验研究

5.3.1材料的选取

5.3.2单点金刚石切削试验

5.3.3白光干涉仪表面形貌观察

5.3.4 TEM透射样品制备及分析

5.4本章小结

第六章 总结与展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢