电子束纳米焊接与纳米切割

对小到1 nm大到100 nm的"纳米尺度",目前并没有成熟的原位物理加工技术.我们演示高强度电子束技术在纳米尺度上应用于原位物理加工的潜力,将高亮度场发射透射电子显微镜的电子束汇聚到直径1 nm左右,可得到强度为1096 A/cm2量级的电子束.这样的电子束可被用来在直径几十纳米的单根金属或硅纳米线上实现结构修饰,切割出小孔、窄桥及缝隙等各类纳米尺度的图案结构.强度稍弱的电子束则可被用来实现在金属纳米线之间,或者金属纳米线与硅纳米线之间的焊接,也可被用于去除纳米线表面的氧化层.这些物理加工机制涉及高能电子穿越固体时各类非弹性散射造成的加热、非晶化、溅射、等离子气化等非线性效应.作为一项无污染且作用范围非常局域化的原位技术,它可直接应用于纳米结和纳米器件的修饰与制备.     

γ-TiAl合金纳米切削过程中随机表面粗糙度影响的原子模拟

采用分子动力学模拟方法研究了随机粗糙度对γ-TiAl合金纳米尺度切削的影响。为了模拟真实工件表面,在考虑刀具不同前角和切削深度的情况下,采用多参数的Weierstrass-Mandelbrot（W-M）函数生成随机表面粗糙度,用工件的等效高度来量化切削深度。结果表明,粗糙度对工件的纳米切削有不可忽视的影响。此外,粗糙度的影响在不同切削参数的情况下也不同。     

刀尖圆弧半径对单晶铜纳米切削过程影响的分子动力学分析

采用分子动力学方法对不同刀尖圆弧半径时在纳米级尺度下切削加工单晶铜表面的过程进行分子动力学建模、计算与分析,研究不同刀尖圆弧半径对单晶铜纳米切削过程中微观接触区域原子状态和作用力变化的影响规律.研究结果发现:在单晶铜纳米切削过程中,切削作用力、位错及位错发射等缺陷随着切削厚度或刀尖圆弧半径的增大而增加;在相同切削厚度,相同切削距离下,刀尖圆弧半径越大,在刀具前方堆积的切屑体积越小.此外,在切削距离为1 nm时,切削作用力发生突变;在切削距离1 nm到2 nm时,可以明显看到随切削距离的增加,刀尖圆弧半径越小,切削作用力上升幅度越大.在切削距离为3.5 nm时,切削作用力基本保持稳定波动,其主要原因是位错等缺陷的产生引发作用力的波动.     

切削深度对单晶γ-TiAl合金力学性能的影响

在本文,通过分子动力学模拟方法建立了单晶γ-TiAl合金的纳米切削模型和拉伸模型,其主要分析不同的切削深度对工件拉伸性能的影响。一方面,详细的研究了晶格转变和微观缺陷演化之间的关系;另一方面,系统的探讨了不同的切削深度对应力-应变曲线、位错形核位置和工件断口位置的影响。研究结果表明：在纳米切削阶段,晶格转变的数量会随着切削深度的增加而增多并且与微观缺陷演化具有一致性。在一定的切削深度范围内工件的屈服应力和弹性模量会相应的提高。另外,切削深度对工件的位错形核位置和断口位置有较大影响,经过加工的工件位错形核于工件的亚表面,而未经过加工的位错形核于工件的边界处,工件的断口位置随着切削深度的增加越靠近拉伸端。     

晶体取向对单晶γ-TiAl合金纳米切削的影响研究

为了研究晶体取向对单晶γ-TiAl合金纳米切削过程的影响,采用分子动力学数值方法对不同切削晶向下的切削力、切削温度、材料去除及晶格结构变化进行分析和探讨,揭示不同的晶体取向对单晶γ-TiAl合金纳米切削质量作用机制.结果表明:在纳米切削过程中,随着晶面和晶向的变化,切削力、切削温度、材料去除和晶格结构都会有不同程度的变...     

基于分子动力学模拟的金属材料纳米加工机理研究进展

微纳器件已经广泛应用于光学、电子、医学、生物技术、通信、航空航天等领域,研究金属材料在纳米尺度下的变形特性及材料的去除机理对实现微纳器件的功能具有重要意义。利用分子动力学(Molecular dynamics, MD)模拟方法可以实现对纳米加工过程的“实时在线”观察,从而能够更好地理解金属材料的纳米加工机理。从纳米压痕和纳米加工两个方面,阐述近年来金属材料纳米加工机理的研究进展,指出目前MD模拟方法的一些不足并提出几个改进建议。     

加工参数对单晶γ-TiAl表面质量和亚表层损伤的影响机理

为研究加工工艺参数对纳米切削单晶γ-TiAl合金表面质量和亚表层损伤的影响机理,以分子动力学（molecular dynamics, MD）为基础理论,采用非刚性金刚石刀具建立三维纳米切削模型,通过研究切屑体积、表面粗糙度、静水压分布、位错密度、位错演化、相变原子数,详细分析不同切削速度和切削深度对表面和亚表面结构的影响。结果发现：随着切削速度的增加,切屑体积增大,加工效率提升,且存在切削速度为100 m/s的临界值。表面粗糙度先减小后增大,同样存在切削速度为100 m/s的临界值。位错的复杂程度降低,位错密度减小,塑性变形程度增加;随着切削深度的增加,切屑体积增大,加工效率提升,表面粗糙度、位错密度以及塑性变形程度显著增加。在切削过程中,发现位错主要分布在刀具前方和下方,在刀具前方45°方向存在V形位错和梯杆位错以及位错间的相互反应,且切削完成后残留下空位和原子团簇等稳定缺陷。     

单晶铜在不同温度下的纳米切削机理研究

目的 虽然纳米切削是21世纪超精密加工技术的重要发展方向之一,但现有的纳米切削机理仍不完善。因此,采用数值模拟方法,从晶体结构、力学和粒子运动等方面对纳米切削机理进行补全。方法 首先,基于分子动力学方法对纳米尺度下的单晶铜进行了拉伸模拟,总结其在不同温度下的韧脆性特征;其次,对纳米尺度下的单晶铜进行了切削模拟,系统性地研究了切削过程中晶体结构、切削力、应力应变分布,以及原子运动特征在不同材料韧脆性下的变化规律。结果 拉伸模拟结果表明,低温下单晶铜脆性特征显著,但仍具有一定的韧性。随着温度的升高,单晶铜脆性减弱,韧性增强。切削模拟结果表明,靠近工件自由面的材料沿主剪切方向发生持续的剪切滑移和周期性的长距离错动,形成多种晶体结构有序分布的块状切屑。靠近刀具的材料在推挤作用下由晶体结构变为非晶结构,之后持续流动形成切屑。随着切削温度的升高,块状切屑中的长距离错动频率提高,通过剪切形成的块状切屑尺寸减小,而通过推挤形成的流动状切屑厚度增加。结论 切屑的形成方式包括剪切和推挤2种类型。低温下,剪切切屑形成过程占据主导地位,切屑呈现明显的块状。随着温度升高,切屑形成机理从剪切向推挤转变。     

纳米切削初始温度对单晶铜微观结构的影响

纳米切削会造成工件的内部微观缺陷,这种缺陷会引起残余应力的变化进而影响工件的表面质量,而这种缺陷结构与切削层初始温度有密切联系。为降低工件纳米切削加工制造中的缺陷,采用分子动力学的方法,构建了含有切削层的单晶铜纳米切削模型。首先,通过分析工件结构体积及微观缺陷的变化确定了切削层的适用初始温度;其次,分析了切削层初始温度对切削力的影响,并在不同初始温度和切削力作用下对单晶铜位错和晶格等微观结构的变化进行了分析;最后,通过实验对仿真结果进行了间接验证。结果表明：单晶铜切削层初始温度的可选范围为293~400 K;在此范围内,随着切削层初始温度的升高,切削力大小变化显著,但波动平稳,晶格结构的转变速度也随之增快;当切削层初始温度设为360~390 K范围内时,单晶铜工件的表层微观缺陷相对较少,由此可预测单晶铜工件在此初始温度范围内加工得到的表面质量较高。     

单晶镍纳米切削材料去除行为与机理研究

单晶镍纳米尺度加工时的材料去除机理对实现其超精密加工尤为重要。为此,借助分子动力学仿真研究单晶镍纳米切削时的力热行为、表面/亚表面形成特征以及塑性变形机制以揭示材料去除机理。结果表明单晶镍纳米切削时,有序的镍原子在刀具挤压和剪切作用下以非晶结构的形式被去除,部分具有面心立方（face center ‌cubic, FCC）结构的镍原子转变成密排六方（hexagonal close-packed, HCP）结构和非晶结构,主导了相变与非晶化;同时出现伯氏矢量分别为1/6<112>、1/3<100>、1/6<110>、1/3<111>以及1/2<110>的位错线。单晶镍纳米切削时的塑性变形机制为相变、非晶化和位错滑移。在切削过程中,由于几何条件与能量条件被同时满足,发生1/2<110>全位错转变为1/6<112>不全位错的位错反应。在切削力热的作用下,已加工亚表面出现了位错环、梯杆位错、棱住位错、V型位错、原子团簇和空位等缺陷结构。相比于(100)晶面和(110)晶面,沿(111)晶面切削有利于减小亚表面缺陷层深度。