熔石英納米壓痕分子動(dòng)力學(xué)仿真及實(shí)驗(yàn)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(dá)、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(xué)領(lǐng)域,人們對(duì)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(duì)微觀過程進(jìn)行直接觀測(cè)的難度較大,國(guó)內(nèi)對(duì)熔石英材料納米加工微觀機(jī)理相關(guān)理論的研究一直較為匱乏,這已嚴(yán)重限制了熔石英等重要光學(xué)材料加工精度的提高。利用分子動(dòng)力學(xué)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(jī)理,并且從塑性變形的角度深入分析不同加工參數(shù)對(duì)加工過程和加工質(zhì)量的影響,對(duì)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(shí)意義。
　　本文首先對(duì)分子動(dòng)力學(xué)仿真在納米加工領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了較為全面的綜述,研究了分子動(dòng)力學(xué)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(xué)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(jí)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(shì)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(duì)熔石英的納米壓痕和刻劃過程進(jìn)行了分子動(dòng)力學(xué)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(shì)能的變化,揭示了納米磨削加工的微觀機(jī)理以及熔石英亞表層缺陷的形成轉(zhuǎn)移機(jī)理;根據(jù)仿真數(shù)據(jù)的計(jì)算,對(duì)熔石英模型的有效性進(jìn)行了初步驗(yàn)證和評(píng)估;
　　再次,針對(duì)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(jì)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(jìn)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(duì)加工質(zhì)量的影響;利用 VMD對(duì)壓痕刻劃過程進(jìn)行觀察,從缺陷原子或原子團(tuán)簇運(yùn)動(dòng)的角度分析了表面材料堆積和已加工表面的形成機(jī)理。
　　最后,利用納米壓痕儀對(duì)熔石英試件進(jìn)行了大量的納米壓痕實(shí)驗(yàn),針對(duì)壓痕過程中材料