有機玻璃納米機械加工材料去除機理研究.pdf

1、科技發(fā)展對光學(xué)元件的加工精度和表面質(zhì)量提出了越來越高的要求,作為一種重要的光學(xué)元件制造方法,納米機械加工技術(shù)在光學(xué)工程領(lǐng)域應(yīng)用日益廣泛。然而缺乏對納米機械加工機理尤其是材料去除機理的理解嚴(yán)重制約著納米機械加工質(zhì)量的提高。
　　有機玻璃(PMMA)具有良好的光學(xué)、力學(xué)和機械性能,是加工各種高精密光學(xué)元件的重要材料之一,對其納米機械加工材料去除行為的理解和控制非常重要。作為典型的非晶態(tài)高聚物,PMMA的物理、力學(xué)性能與金屬、玻璃等材料

2、有較大差異,納米機械加工中材料去除機理尚未被完全揭示。
　　分子動力學(xué)從研究微觀粒子的運動規(guī)律出發(fā),能夠?qū)υS多實驗中無法觀察,宏觀理論難以理解的現(xiàn)象做出一定的微觀解釋,是研究納米機械加工機理的一種重要手段。
　　本文分別對PMMA珠簧模型和全原子模型的納米刻劃過程進(jìn)行了分子動力學(xué)模擬。針對珠簧模型,對其納米刻劃過程中材料堆積、力、局部溫度進(jìn)行了分析,研究了PMMA在不同溫度下材料恢復(fù)性能以及不同刻劃參數(shù)下納米刻劃材料去除行為

3、。結(jié)果表明:刻劃區(qū)域局部溫度達(dá)到了玻璃化轉(zhuǎn)變溫度 Tg,說明刻劃區(qū)域材料可以以塑性方式去除。當(dāng)工件整體溫度接近或超過玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg時,PMMA材料恢復(fù)更明顯。切向力、法向力和摩擦系數(shù)均隨刻劃深度增大而增大?？虅澦俣扔绊懼饕w現(xiàn)在材料堆積高度、熱軟化效應(yīng)、應(yīng)變率強化三個方面。此外,壓頭和聚合物工件之間的作用強度越強,切向力和摩擦系數(shù)越大。
　　針對全原子模型,主要從分子鏈運動變化角度對模擬結(jié)果進(jìn)行了分析,并在力、摩擦系數(shù)方面與珠

4、簧模型模擬結(jié)果進(jìn)行了類比和驗證。研究表明:分子鏈間相對運動和分子鏈內(nèi)部結(jié)構(gòu)變形是PMMA受到外力作用后的兩種主要變形機制?？虅澤疃容^淺時的材料去除主導(dǎo)方式為耕犁,對應(yīng)分子鏈的變化主要為鏈內(nèi)部結(jié)構(gòu)變形;刻劃深度增大后,材料去除主導(dǎo)方式為切削方式,主要表現(xiàn)為大量分子鏈間相對運動。溫度越高,分子鏈的長程運動力越強,材料越容易被去除?？虅澦俣仍酱?更多的分子鏈被去除形成材料堆積。壓頭與工件之間作用強度越大,材料堆積越多,更多的分子鏈粘附于壓頭表