颗粒微切削表面创成的分子动力学仿真研究

颗粒微切削的性能和行为直接影响工件的表面质量,从材料去除规律和能量变化规律的角度对颗粒微切削作用的表面创成机理进行研究,分别采用EAM势、Morse势、Tersoff势描述单晶铜原子间、工件与颗粒、颗粒刀具原子间的作用力。分析纳米尺度下颗粒切削方向、颗粒切削速度、系综温度对颗粒微切削作用,通过探讨体系动能、体系势能、体系总能对工件原子运动规律的影响及颗粒微切削加工前后键角的变化形态,为阐述颗粒微切削作用的表面创成机理提供理论依据。研究结果表明正交切削比斜切削能获得更好的表面质量,颗粒速度与能量不存在线性关系,颗粒温度对体系能量有直接影响。通过分子动力学数值模拟得到体系的结构信息及相关热力学性质并对分子动力学的微观统计量进行分析计算,寻找合适的加工参数,为颗粒微切削加工工艺的发展提供技术支持。     

PBS/石榴皮提取物复合材料的界面作用及其双功能性

对废弃资源石榴皮进行资源再利用,从中提取有效染色、抗菌成分,并与聚丁二酸丁二酯(PBS)复合,制备双功能性PBS/石榴皮提取物(PGL)复合材料。利用傅里叶变换红外光谱对复合材料进行了分析,采用Materials Studio软件对复合材料的界面作用进行了分子动力学模拟,探讨了PGL用量对复合材料耐摩擦色牢度、抗细菌率的影响。结果表明,PGL在共混过程中没有与PBS发生化学反应,但两者形成了静电能和氢键两种分子间非键合作用力,使得复合材料具有一定强度的界面作用。PGL质量分数为1%～7%时,复合材料的耐摩擦色牢度基本得到保持,表明PGL中的染色成分与PBS存在一定的分子间界面作用,为分子动力学模拟结果提供了证明。PGL质量分数为1%时,复合材料对金黄色葡萄球菌及大肠杆菌的抗细菌率均达到了90%以上,具有了抗菌能力;随着PGL用量的增加,复合材料的抗菌能力逐渐提高,当PGL质量分数超过7%后,复合材料对两种细菌的抗细菌率均达到99%以上,具有强抗菌作用。     

不同水含量下氧化石墨烯改性水泥材料界面性能的模拟研究

水含量会影响硅酸盐材料的机械性能.本文采用分子动力学方法(Molecular Dynamics,MD),研究了0％ 、50％ 、100％ 三种水含量下氧化石墨烯/托贝莫来石(GO/C-S-H)界面的机械性能.研究发现界面连接主要由Caw-Os(C-S-H硅链中的氧原子)、Caw-Ocoo(氧化石墨烯表面去质子化的羧基)、Caw-Ooh(氧化石墨烯表面的羧基)、Caw-Ooo(氧化石墨烯表面的环氧基)以及界面氢键组成,其中Caw-Os和Caw-Ocoo在受到水分子影响时比较稳定,而Caw-Ooh、Caw-Ooo在受到水分子影响时化学稳定性会下降.不同水含量模型的单轴拉伸结果表明,界面机械性能会随着水含量的增加而降低,界面应力最大值从1.1 MPa下降到0.7 MPa.     

辐照条件下SiC晶界导热性能的分子动力学分析

SiC材料由于具有优良的物理化学性质而在工程领域得到广泛应用。但在辐照条件下,Frenkel缺陷势必影响材料的宏观性质。尤其在核能工程领域,辐照无法避免,而传热性质是材料的关键性质之一。本文采用分子动力学方法模拟了SiC材料晶界导热性质在辐照缺陷存在条件下的变化规律。研究结果表明,晶界扭转角度越大,界面能也越大,并且界面热阻大致与界面能呈正比关系。辐照缺陷的存在使界面热阻增加了一个数量级。声子态密度分析结果表明,界面附近原子晶格失配程度增加是导致辐照后界面热阻进一步增加的原因。     

香豆素衍生物与人血清白蛋白的相互作用

根据孪药的原理合成的香豆素衍生物,经药理实验显示具有良好的降血糖作用,为研究该物分子与人血清白蛋白HSA的相互作用,确定其在HSA中具体的键合位置及构象,本次实验利用分子对接技术,来对药理研究及光谱分析进行补充。得到结论该药物分子在人血清白蛋白ⅡA位置的亲和力比在ⅢA位置更强。     

6H-SiC脆性切削声发射响应的分子动力学研究

采用分子动力学方法研究了6H-SiC脆性切削的声发射响应。研究了原子尺度下6H-SiC的微变形和裂纹形核,同时对加工过程中的声发射源进行了识别,分析了其相应的声发射特征。结果表明,6H-SiC在77 nm切削深度下的脆性变形过程简单但不寻常;在6H-SiC切削过程中位错不会连续扩展,变形后的工件在刀具挤压作用下被分割成块,并由位错的快速扩展引发裂纹。对于影响声发射源特征的因素研究发现：初始压应力会导致声发射功率的下降;频率-能量分析中可见的3种声发射源分别是晶格振动、位错扩展和裂纹扩展。此外,在1 K温度下,2次明显的位错传播的声发射响应比晶格振动具有更高的频率特性,但总能量水平最低。相反地,裂纹扩展的声发射响应具有更为明显的频率分布特性和能量特性。     

纳米压痕诱导单晶铜弹塑性变形分析与破坏机理研究

目的 从微观角度实现对微机电系统中微器件局部接触区域弹塑性演化过程和原子迁移演变规律的探寻.方法 运用经典分子动力学法,基于EAM和Morse混合势函数,对硬质金刚石探头与软质金属铜基底展开纳米压痕接触特性研究.结果 纳米压痕中位错环构型生成与演变有规可循,位错环在受载荷影响时,有着4个演变阶段,即位错环萌芽期→生长期→繁衍期→维持期.当载荷达到一定程度时,压痕中铜基质内密排六方结构的HCP容易与附近类似结构发生关联耦合效应,产生刃型位错和形成螺旋式位错结构,随后以脱落方式构成棱柱形位错结构,并向基底底部发射.另外,整个纳米压痕中,铜基质亚表面损伤最为严重,探头与基底接触区域两侧的位错环迁移处应力较集中.结论 纳米接触中铜基质内位错环出现与演变过程,是衡量局部接触塑性变形强弱程度的重要依据和非接触区域损伤程度的内在表现.此次研究结果对细观尺度接触变形行为有着深层次认识,也对纳尺度设计出优异摩擦学性能的微结构有着重要借鉴作用.     

双磨粒抛光单晶Si的分子动力学模拟

目的 通过分子动力学(MD)模拟,获得双金刚石磨粒抛光单晶Si的去除机理.方法 采用一种新的单晶硅三体磨粒抛光方法,测试双磨粒的抛光深度和横向/纵向间距对三体磨粒抛光的影响,从而获得相变、表面/亚表面损伤等情况,并获得抛光过程中温度及势能的变化情况.结果 对比抛光深度为1、3 nm时配位数的情况,发现抛光深度为1 nm时,抛光完成时相变的原子数是4319,而抛光深度为3 nm时,相变原子数为12516.随着磨粒在Si工件表面抛光深度的加深,抛光和磨蚀引起的相变原子和损伤原子的数目增加.仿真结果还表明,单晶Si相变原子的种类和数目随磨粒横向间距的增加而增加,随着纵向间距的增加反而减少.系统的初始温度设为298 K,抛光深度为1 nm时,抛光完成时的温度是456 K,而抛光深度为3 nm时,温度是733 K.抛光完成时,纵向组和横向组的温度仅相差30～40 K.在抛光深度、横向间距和纵向间距3个对照组中,抛光深度对亚表面损伤的影响最大.抛光深度为3 nm时,亚表面的损伤深度最大,从而导致更多的材料从单晶Si工件表面去除.结论 双磨粒的抛光深度和间距不仅对硅的表面微观结构产生影响,还对相变产生影响.模拟参数相同时,较大的抛光深度和横向间距下会产生更多的相变原子,因此相变受抛光深度的影响最大,受纵向间距的影响最小.     

因瓦合金纳米抛光材料去除机理的分子动力学模拟∗

因瓦合金作为一种独特的低膨胀材料已广泛用于航空航天等高科技领域,但目前还鲜有对其超精密加工理论和技术的研究,而纳米抛光是因瓦合金超精密加工的一种重要手段。 针对纳米抛光过程中因瓦合金的材料去除机理,基于分子动力学模拟研究抛光速度对材料去除效率、亚表面损伤和抛光表面平整度的影响。 通过对磨屑、能量、抛光力、位错运动等方面的分析揭示因瓦合金的变形损伤机制。 研究结果表明:材料去除效率随着抛光速度将达到一个临界值,当抛光速度低于 100 m/ s 时,磨削热促使位错形核,亚表面损伤厚度增加;当抛光速度高于 100 m/ s 时,应变速率急剧增大导致位错运动受限,使得亚表面损伤厚度得以降低。 为实现因瓦合金高效率和低损伤加工机制提供理论依据和技术支持。