非晶层对单晶锗纳米切削影响的分子动力学研究

为探究非晶层结构对单晶锗纳米切削机制和力学特性的影响,采用分子动力学方法模拟不同非晶层厚度的非晶-晶体层状结构(A-C模型)的纳米切削过程.对纳米加工中切削力波动规律,应力状态,亚表面损伤和材料去除等关键问题进行分析.结果 表明:非晶锗(A-Ge)厚度的增加使得切削力和应力减小,切削温度升高;材料的可塑性随着A-Ge厚...     

基于分子动力学模拟的纳米压痕技术研究进展

纳米压痕技术是一门在微观尺度上测量材料力学性能的新兴技术,分子动力学模拟则可对抛光、超声振动、激光加工等工艺过程进行仿真,在研究加工过程中材料受微观粒子挤压、划擦及冲击等而变化的力学性能机理方面具有显著优势,故总结了分子动力学模拟和纳米压痕技术的基本原理,对采用分子动力学模拟研究纳米压痕技术的现状进行了综述。两种先进技术的有机结合,将极大地促进材料在微观尺度下的研究进程。     

重复加工对单晶镍表面形貌及亚表面缺陷的影响

通过分子动力学模拟对重复纳米加工单晶镍中的表面形貌、亚表面损伤和刀具受力情况进行了分析。并通过纳米划痕实验适当验证了理论分析的结论。对加工中一系列原子的坐标进行追踪,揭示了重复加工时表面凹槽的形成及变化原因。通过共近邻分析和位错提取技术,得出在单晶镍纳米加工中,重复加工一次会对工件亚表面质量有所改善,而重复加工两遍则基本没有区别。同时,刀具在第1次加工中所受切向力和法向力明显较大,而后的2次重复加工则刀具受力基本相同。采用原子力显微镜对纳米划痕实验后的单晶镍进行表面粗糙度检测,发现重复一次加工会适当地提高加工后工件表面质量。     

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。     

微纳米切削可视化研究现状

当材料切削厚度达到几个原子层时,微纳米切削实验变得困难且耗时,目前的实验条件根本无法实现.而分子动力学仿真却能克服这些困难,能十分方便地改变切削条件、刀具的几何形状和加工工件材料的性质.对基于分子动力学仿真的微纳米虚拟切削基本原理及其国内外研究的现状进行阐述.介绍了几种分子动力学可视化软件.虽然目前存在很多优秀的分子动力学可视化软件,可是没有一个是针对微纳米切削的,也不能观察温度场、应力分布等信息.分析了微纳米切削可视化研究存在的问题和发展趋势,指出微纳米加工可视化将成为探索微纳米加工机理最有效的手段.     

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-Ti Al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-Ti Al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化;选择(010)晶面作为切削平面时切削力较小,产生的切削热较少,γ-Ti Al合金表面加工质量较好,晶格结构转变较少;(010)[100]切削晶向下工件产生的切削热较少且最容易切削,晶格结构转变最少,γ-Ti Al合金表面加工质量最优。     

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。     

单晶铜纳米加工过程中热效应及缺陷结构的原子尺度模拟(英文)

基于建立的新型三维仿真模型,采用分子动力学方法模拟单晶铜(100)表面纳米加工过程,研究材料的去除机理和纳米加工过程中系统的温度分布与演化规律。仿真结果表明:系统的温度分布呈同心型,切屑温度最高,并且在金刚石刀具中存在较大的温度梯度。采用中心对称参数法区分工件中材料缺陷结构的形成与扩展。位错和点缺陷是纳米加工过程中工件内部的主要缺陷结构。工件中的残余缺陷结构对于工件材料的物理属性和已加工表面质量具有重要影响。位错的成核与扩展、缺陷结构的类型均与纳米加工过程中系统的温度有关。加工区域温度升高有利于位错从工件表面释放,使工件内部位错结构进一步分解为点缺陷。采用相对高的加工速度时,工件中残留缺陷结构较少,有利于获得高质量的加工表面。     

单晶锗纳米切削过程分子动力学仿真与实验研究

为深入理解单晶锗纳米切削特性,提高纳米锗器件光学表面质量,采用三维分子动力学(MD)模拟方法研究了单点金刚石压头与单晶锗表面的接触和滑动过程。研究了压头在滑动切削过程中的材料变形、切削力、切屑堆积、表面形貌尺寸。仿真结果表明,随着垂直载荷的增加,切削力、表面形貌尺寸、切屑堆积在接触过程中逐渐增加,且与切削速度无明显关联。切削过程中切削力波动的根本原因是由于单晶锗晶格破坏引起位错的产生和能量波动。为了验证仿真结果的正确性,使用纳米划痕仪对单晶锗进行了纳米切削实验。实验结果与仿真结果一致,验证了MD模型的正确性和有效性。     

离子注入对单晶锗力学性能影响的分子动力学研究

为改善单晶锗的硬脆力学特征，用分子动力学模拟方法研究了3种不同剂量的离子注入对单晶锗表面的改性机理。分析结果表明，离子注入对锗基体造成了非晶相损伤，纳米压痕过程表现为晶格演化。纳米压痕结果揭示了非晶相的存在能够降低单晶锗的硬度和脆性，提高塑性。此外，锗基体的非晶相损伤程度和硬度与离子剂量有关。随着剂量的增加，非晶损伤程度加深，硬度降低。     

磁控溅射薄膜生长的模拟方法

磁控溅射技术制备的薄膜膜层均匀,内部无气孔,密度高,与衬底的附着性良好,薄膜质量高,被广泛应用于科学研究和工业生产中,且适合应用计算机模拟来研究溅射过程和溅射结果,这样既可以检验模拟的准确性,又可以对实验现象的内在意义进行挖掘,为后续实验提供参考信息。在介绍磁控溅射薄膜生长常用模拟方法原理的基础上,详细讨论了第一性原理(First-principles calculations)、分子动力学(Molecular dynamics,MD)和蒙特卡洛(Monte Carlo,MC)等3种方法的适用条件和模拟结果,从3种方法适合解决的问题、相互之间的区别等方面,对国内外最新的研究进展进行总结与分析。发现3种方法在精确度和计算量上依次递减,在可模拟的时间和空间尺度上依次递增,在模拟对象上,第一性原理方法由于其高度的精确性被广泛应用于对薄膜本身的性质或对粒子间的运动等方面,且模拟结果可以是具体数值,从而对实验进行更加精确的预测和指导,分子动力学方法多用于模拟薄膜生长过程和原子间行为等方面,蒙特卡洛方法相较于前两者,用途更加广泛,可模拟的对象除了薄膜本身,也可以对电磁场等进行模拟。最后,对磁控溅射薄膜生长模拟未来的研究方向进行了展望。     

分子动力学在材料科学中的应用

分子动力学方法是进行物质原子或分子层次计算机模拟时所采用的一种基本方法。通过分子动力学模拟，可以给出原子尺度上材料及其演化过程细节的可能性，具有无先例的准确性，使材料设计和性能预测成为可能。本文分析了分子动力学模拟的基本原理和算法；综述了分子动力学在材料科学中的应用，介绍了最近发展的第一原理分子动力学模拟，指出材料科学中第一原理分子动力学模拟的应用还有待进一步发展。     

Structure/reactivity relationships and mechanism from X-ray data and spectroscopic kinetic analysis

The development in crystallography is nothing short of phenomenal, showing an ever increasing trend towards applications, such as in molecular biology. ‘Traditional’ small molecule chemical crystallography tends to, in many aspects, be considered as trivial due to the exponential growth in computing power and the parallel expansion in software. However, many dynamic processes (still) occur at the molecular level. Thus, the fundamental understanding of subtle nuances in structural behaviour, and the associated influence on other (kinetic) properties, is often trivialized when conclusions are simply made based on thermodynamic observations alone. This review aims to emphasize the importance of crystallography in small molecule chemistry by presenting detailed evaluations of two extended ‘case studies’, i.e. the first on structure and dynamics of the middle transition metal cyanide-oxido complexes, and the second on rhodium model homogeneous catalyst precursors. Both underline the fact of understanding the overarching principles of dynamics, i.e. time-resolved behaviour of processes, but considered from a structural perspective. The reference point is to focus on an integrated and overarching mechanistic approach, utilizing structural data, but in particular reaction kinetics, to obtain a more complete picture of processes or systems being evaluated.     

Effects of quenching rate on amorphous structures of Cu46Zr54 metallic glass

Metallic glass shows some superior properties different from crystalline, but the nature of amorphous structure and structural change during glass transition have not been completely understood yet. Molecular dynamics simulation provides intuitive insight into the microstructure and properties at atomistic level. Before probing into the microstructures of metallic glass with molecular dynamics (MD) simulation, it is important to obtain amorphous state first. In the current work, we reproduce the process of manufacturing metallic glass in laboratory including the melting, equilibrating and quenching procedure with molecular dynamics simulations. The structure changing at melting point and glass transition temperature are investigated with the different cooling processing. The partial radial distribution function (PRDF) is applied as a criterion to judge the final amorphous state obtained considering the quenching at different cooling rates and the effects of cooling rate on the formation of amorphous structures are further discussed.     

铝材冷轧润滑剂成分分析

通过对铝材冷轧润滑剂典型产品的剖析得到基础油和添加剂的组成、类和分子结构特征、并提出了铝材轧制油配方设计原则。同时还介绍了常用的润滑剂成分分析方法。上述研究有利于我国铝材轧制油技术进步与产品创新。     

Molecular dynamics simulation of surface segregation, diffusion and reaction phenomena in equiatomic Ni-Al systems

The molecular dynamics method is used to provide fundamental insights into surface segregation, bulk diffusion and alloying reaction phenomena in equiatomic Ni-Al systems. This knowledge can serve as a guide for the search and development of economic routes for controlling microstructure and properties of the intermetallic compound NiAl. This paper gives an overview of recent molecular dynamics simulations in the area along with other theoretical calculations and experimental measurements.     

Options for development of statistical methods for estimation of distributed parameters of electrochemical deposits at macro level

In the work, the methods-analogues A′ _B , B′ _B , C′ _B , and D′ _B for research of the process of formation of the electrochemical composition, based on principles, are used for estimation of relation between the distributed parameters. It is noted that such a direction of the research of the electrochemical composition has an essential theoretical and practical value, and its principles can be applied to the development of some parameters of the properties of electrochemical objects, for example, σ _B is the parameter of dynamics of a factor of an output on a current. In addition, these methods have a high level of generality with similar methods in other fields of knowledge and allow one to improve and expand essentially the quality of the research of electrochemical compositions and to predict and improve the ways of their formation.     

粒度和界面原子调控对SiC/Al复合材料强度的影响

SiC/Al复合材料作为一种轻质高强材料,因其优异的物理化学性能被外界广泛关注。本研究利用分子动力学方法,构建了不同SiC粒径的SiC/Al复合材料模型,根据拉伸变形模拟结果得出更小的SiC粒径有利于材料获得更高的抗拉强度。随着拉伸形变的逐渐增加,SiC颗粒在沿拉伸方向的两侧与Al基体发生分离从而产生孔隙,再从孔隙缺陷处产生位错形核并扩展至Al基体内形成塑性形变。在调节SiC/Al界面上C、Si的占位情况后,界面富Si的条件下结合更强,孔隙产生的难度增大从而对SiC/Al复合材料产生强化作用。     

Atomistic Modeling of Solidification Phenomena Using the Phase-Field-Crystal Model

In recent years, a fundamental understanding of solidification and its behavior has been gained through molecular dynamics simulations and the phase-field method, the first of which is limited to short time scales and the latter of which does not represent interface and elastoplastic properties accurately. Recently, the phase-field-crystal (PFC) method, a continuum method operating on atomistic length scales and diffusive time scales, has helped bridge the multiple scale gap between molecular dynamics and phase field. This review surveys the advances of PFC models in the context of various solidification phenomena.     

金刚石化学机械抛光研究现状

金刚石由于其独特的性质成为未来科技的重要材料,但较差的表面质量会影响其在高科技领域的应用,因此实现金刚石超精密加工是提高金刚石应用的关键。化学机械抛光(CMP)是集成电路中获得全局平坦化的一项重要工艺,能够实现金刚石的超精密加工。介绍了现有的金刚石加工方法和金刚石化学机械抛光的研究现状,并与其他的加工方法(机械抛光、摩擦化学抛光、热化学抛光等)进行了对比,其他加工方法存在加工后表面损伤严重、加工表面粗糙度无法满足需要等问题。金刚石的化学机械抛光工艺经历了由高温抛光向常温抛光的发展过程,该加工方法设备简单、成本低、抛光后的表面粗糙度(Ra)可以达到亚纳米级别。此外,金刚石的分子动力学模拟(MD)使人们从原子尺度对金刚石抛光过程中纳米粒子的相互作用和抛光机理有了深入了解。虽然金刚石化学机械抛光还存在着许多亟待解决的问题,但是其发展前景依旧十分乐观。