基于分子動(dòng)力學(xué)的單晶硅納米加工機(jī)理及影響因素研究.pdf

1、納米加工技術(shù)的發(fā)展使得納機(jī)電系統(tǒng)制造成為可能。當(dāng)被加工材料尺寸達(dá)到納米量級(jí)時(shí)，由于小尺寸效應(yīng)、量子效應(yīng)及表面效應(yīng)的影響，納米加工的理論與方法和傳統(tǒng)機(jī)械加工有著本質(zhì)的不同，材料的力學(xué)特性、缺陷、載荷特性和失效機(jī)理等都將發(fā)生質(zhì)的變化。依據(jù)經(jīng)典連續(xù)介質(zhì)力學(xué)建立起的機(jī)械加工理論將不能直接應(yīng)用在納米加工技術(shù)當(dāng)中，必須應(yīng)用近代物理學(xué)的最新成果，從原子尺度上去研究納米加工機(jī)理。本文借助分子動(dòng)力學(xué)仿真技術(shù)，探究單晶硅三個(gè)典型晶面在納米壓痕及刻劃過程中的

2、加工變形機(jī)理，應(yīng)用納米壓痕儀進(jìn)行相應(yīng)的納米壓痕及刻劃實(shí)驗(yàn)。隨后探究脆性材料單晶硅的納米切削機(jī)理，并對(duì)納米加工過程中的金剛石刀具磨損進(jìn)行考察。這對(duì)于全面認(rèn)識(shí)單晶脆性材料納米加工機(jī)理具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值，同時(shí)將為納米加工技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提供必要的理論基礎(chǔ)。
　　本文首先建立了單晶硅（100）、（110）和（111）晶面納米壓痕刻劃的三維分子動(dòng)力學(xué)仿真模型，進(jìn)而研究應(yīng)用納米原位壓痕儀對(duì)單晶硅不同晶面的納米加工技術(shù)，同時(shí)考察單晶硅

3、的微觀變形機(jī)制和力學(xué)性能。應(yīng)用納米壓痕儀對(duì)單晶硅不同晶面進(jìn)行了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：相對(duì)（100）、（110）晶面，（111）晶面在仿真過程中得到較小的彈性模量和硬度值，這種現(xiàn)象與仿真結(jié)果基本一致；實(shí)驗(yàn)中單晶硅各晶面刻劃載荷隨刻劃深度增加而增加并具有不同的上升斜率，其各晶面上升斜率大小關(guān)系與仿真中各晶面刻劃載荷上升斜率關(guān)系一致，間接的證明分子動(dòng)力學(xué)是研究單晶硅納米加工機(jī)理的有效方法，仿真建模中的相關(guān)內(nèi)容基本正確。
　　其次，對(duì)于不

4、同晶面單晶硅分別從不同時(shí)刻的瞬間原子位置圖、變形區(qū)結(jié)構(gòu)變化，切削過程中能量的演化、切削力、應(yīng)力的變化等方面分析了工件納米切削過程中的變形機(jī)理和各向異性對(duì)加工過程的影響。從勢能、切削力的變化角度可以看出，單晶硅在切削過程中結(jié)構(gòu)發(fā)生漸進(jìn)式變化，并沒有位錯(cuò)產(chǎn)生；在工件的切削變形區(qū)，切屑的勢能分布因不同的晶面結(jié)構(gòu)而略有差別；處于刀具前刀面的被加工材料其變形區(qū)域的擴(kuò)展速度和刀具切削速度處于同一數(shù)量級(jí)。對(duì)單晶硅納米切削已加工表面質(zhì)量進(jìn)行考察，結(jié)果表

5、明，已加工表面均方根偏差處于0.01nm量級(jí)，應(yīng)力處于0.01GPa量級(jí)，并且其值隨晶面不同而有所不同。
　　最后，對(duì)單晶硅納米切削過程中的單晶金剛石刀具磨損機(jī)理進(jìn)行了研究，并考察溫度場對(duì)刀具磨損的影響。仿真的原子瞬間圖顯示，工件的擠壓導(dǎo)致刀具表面晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，金剛石刀具表面原子在納米切削初始階段產(chǎn)生脫落現(xiàn)象，隨后的切削過程中原子脫落現(xiàn)象明顯減弱。從徑向分布函數(shù)判斷：刀具的外表層形成散亂結(jié)構(gòu)，同時(shí)刀具理想晶格和外表層之間的亞表