熔石英納米壓痕分子動力學仿真及實驗研究.pdf

1、隨著納米加工技術(shù)的蓬勃發(fā)展,具有極高表面質(zhì)量的熔石英材料在原子能、航空航天、雷達、導(dǎo)彈等工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用,特別是在光學領(lǐng)域,人們對熔石英表面和亞表面質(zhì)量提出了越來越高的要求。然而,由于納米加工與傳統(tǒng)加工在加工尺度上存在著巨大的差異,并且對微觀過程進行直接觀測的難度較大,國內(nèi)對熔石英材料納米加工微觀機理相關(guān)理論的研究一直較為匱乏,這已嚴重限制了熔石英等重要光學材料加工精度的提高。利用分子動力學仿真從原子層面研究熔石英的納米加工過程

2、以及缺陷的產(chǎn)生機理,并且從塑性變形的角度深入分析不同加工參數(shù)對加工過程和加工質(zhì)量的影響,對于提高納米加工技術(shù)的加工能力具有極其重要的現(xiàn)實意義。
　　本文首先對分子動力學仿真在納米加工領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀進行了較為全面的綜述,研究了分子動力學仿真的基本原理和方法,并建立了基于Materials Studio的熔石英原子結(jié)構(gòu)模型。分析了Rentsch等學者在納米磨削仿真中所用的方法,確定了利用納米壓痕針尖壓入和刻劃仿真研究熔石英納米級磨削過

3、程的可行性。確定了適用于熔石英納米磨削仿真的勢函數(shù)及其他初始化條件參數(shù),完成了仿真程序的編譯和調(diào)試。
　　其次,利用LAMMPS軟件對熔石英的納米壓痕和刻劃過程進行了分子動力學仿真;通過研究弛豫和壓痕刻劃過程中載荷、溫度以及原子間勢能的變化,揭示了納米磨削加工的微觀機理以及熔石英亞表層缺陷的形成轉(zhuǎn)移機理;根據(jù)仿真數(shù)據(jù)的計算,對熔石英模型的有效性進行了初步驗證和評估;
　　再次,針對壓痕刻劃過程中熔石英材料的塑性形變,提出基于

4、分子模擬可視化軟件 VMD的材料堆積量度、密度統(tǒng)計和可視化原子組態(tài)回溯三種分析表征方法;在此基礎(chǔ)上,通過更改加工參數(shù)進行大量壓痕及刻劃仿真,得到了在不同刻劃深度、針尖圓弧半徑以及刻劃速度等參數(shù)下熔石英材料的塑性變形規(guī)律以及它們對加工質(zhì)量的影響;利用 VMD對壓痕刻劃過程進行觀察,從缺陷原子或原子團簇運動的角度分析了表面材料堆積和已加工表面的形成機理。
　　最后,利用納米壓痕儀對熔石英試件進行了大量的納米壓痕實驗,針對壓痕過程中材料