单晶铜纳米机械加工的分子动力学模拟与实验的间接对比

以单晶铜微探针纳米刻划加工为例,提出了一种分子动力学模拟与实验的间接对比方法,依次开展了工件材料的弹性常量的定量对比、工件材料机械性能的纳米压痕测量的定量对比、已加工表面形貌的定性对比。单晶铜工件压缩、剪切、拉伸和纳米压痕的分子动力学模拟显示,分子动力学模拟体系的弹性模量与实验测得值相同,压痕后工件表面材料堆积的对称特性与实验结果相符。研究结果表明,所使用的嵌入原子势能函数可以精确地描述单晶铜工件中铜原子之间的相互作用,纳米机械加工的分子动力学模拟具有较高的精度,并且可以很好地预测纳米机械加工的实验结果。     

纳米连接过程的分子动力学模拟研究进展

纳米材料因其特有的结构和性能而得到广泛的应用，纳米连接技术也随之发展起来。在纳米加工领域，虽然有很多先进的显微分析手段，但由于实时观察技术的限制，材料的很多现象和行为很难通过实验进行观测和分析，而分子动力学适用于几纳米到几十纳米的三维空间尺度和纳秒以下的时间尺度，同纳米加工领域很多过程的时间尺度和空间尺度保持一致，因此，利用分子动力学模拟纳米材料性能和连接过程原子的动力学行为是可行的。综述了纳米材料（包括纳米多层膜、纳米线、碳纳米管、纳米颗粒）在纳米连接过程以及连接大尺寸材料过程中的分子动力学模拟研究进展，模拟结果与实验结果基本吻合。结合最新研究进展，讨论了分子动力学模拟在纳米连接应用中的存在问题、解决办法和发展趋势。     

单晶铜薄膜纳米压痕过程的分子动力学模拟

使用三维分子动力学方法模拟了单晶铜薄膜的纳米压痕过程,研究了压头半径对纳米压痕过程的影响;采用Morse势函数计算试样原子与压头原子之间、试样原子之间的相互作用关系.结果表明:单晶铜薄膜纳米压痕的力学机理是非晶态产生的变形;纳米压痕过程具有尺寸效应,压头大小对单晶铜薄膜纳米压痕的分子动力学模拟结果有显著的影响.     

纳米力学的兴起

纳米力学是研究纳米尺度材料、器件与结构的力学。近年它随着纳米技术的需要而兴起并发展。文中介绍作者所参与发展的基于原子势的连续介质方法,并用于分析碳纳米管的若干力学问题。结果与分子动力学的结果进行比较。     

光学石英玻璃纳米级加工性能

提出了一种石英玻璃仿真模型的构建方法,并应用分子动力学(MD)仿真结合纳米压痕实验对石英玻璃进行了纳米级加工性能的研究。通过计算石英玻璃模型的密度和纳米硬度,验证了模型的准确性。对石英玻璃进行了纳米压痕实验,得到了压痕曲线并观察了纳米压痕形貌。最后,对纳米级压痕过程进行了仿真,通过计算配位数研究了损伤层的形成及扩展机理。计算得到的石英玻璃模型的纳米硬度约为9.7~10.7GPa,密度约为2.28g/cm3,与实际测量结果基本一致。仿真结果表明:石英玻璃有着稳定的塑性变形和少量的弹性变形,且存在压痕的尺寸效应。当压头压下时会形成大量的原子稠密区,失去原来共价键的强度,形成损伤层;而表面形貌主要是由于压头向两侧挤压原子和压头的黏附作用形成的。仿真和实验结果都表明石英玻璃比较适合超精密加工。     

双峰结构纳米晶铜的力学行为

通过分子动力学模拟、黏塑性本构模型和纳米压痕试验验证相结合的研究方法,系统研究了双峰结构(晶粒尺寸服从统计学中双峰分布)纳米晶铜的变形机理与力学性能。结果表明：在塑性变形过程中位错首先在纳米晶铜的细晶区形核和扩展,且方向互相平行;而粗晶区的位错滑移方向相互交叉,且粗晶尺寸越大,越容易发生位错缠绕和交滑移。双峰结构纳米晶铜的流变应力随着粗晶尺寸的增大而增大,硬度随着粗晶体积分数的增大而减小。由黏塑性本构方程计算得到的应力变化规律与由经验公式和分子动力学模拟得到的结果一致,且本构方程计算得到的流变应力和经验公式所得结果的相对误差小于5%。     

先进高强度热镀锌钢板DP600镀层本构模型研究

镀锌层是镀锌钢板冲压成形中一种易被忽略的微观对象,但对板料的成形性能有一定影响。因此,本文基于纳米压痕实验和杯突实验对先进高强度热镀锌钢板DP600镀锌层的力学性能进行了研究。依据纳米压痕实验获得镀锌层的载荷-位移曲线和弹性模量;结合ABAQUS有限元数值模拟纳米压痕过程,以及应用Π定理对纳米压痕进行量纲分析,推导出镀锌层的本构模型;将该镀锌层本构模型应用到杯突实验数值模拟中,并与拉深实验结果进行对比。结果表明,考虑镀层的数值模拟结果相比未考虑镀层的数值模拟结果与杯突实验结果更为接近。     

Ag-GNSs/SnAgCu钎料纳米压痕变形行为研究

为了研究Ag-GNSs/SnAgCu钎料在微纳米尺度下的变形行为,采用恒加载速率/载荷法在室温下对复合钎料进行纳米压痕试验,通过载荷-压痕深度曲线分析,并结合压痕形貌,研究载荷-压痕深度曲线中出现屈服台阶(pop-in)现象的机制,以及复合钎料在纳米压痕试验中的变形情况。结果表明,载荷-深度曲线中存在的"pop-in"是由于纳米压痕过程发生了弹塑性变形的转变。弹塑性转变与位错的形核与生成有关,并且通过透射电子显微镜在压痕点附近观察到交错的位错网络。通过观察复合钎料的压痕形貌,发现了压痕附近存在明显的凸起现象,这与材料的屈服应力与弹性模量之比有关。凸起现象将导致通过Oliver-Pharr方法计算的接触面积比实际值小,而引起纳米压痕试验方法测量的硬度和弹性模量数值偏大。应用"半椭圆模型"对产生凸起现象的接触面积进行修正,再基于Oliver-Pharr方法求得硬度和弹性模量,修正后的结果与修正前相比,硬度降低了18.3%,弹性模量降低了9.5%。     

纳米压痕下孪晶钛铝合金性能的模拟研究

通过分子动力学方法对孪晶钛铝合金材料进行纳米压痕模拟,观察压痕过程中孪晶钛铝合金材料的位错演化和力学性能。模拟研究表明:在压痕前期,孪晶界阻碍位错运动,位错与位错形核之间的相互反应使材料的硬度提高;在压痕中后期,孪晶界吸收位错,使材料的硬度降低;压头距离孪晶界较远时,孪晶界对压痕过程的影响程度显著减小,且靠近孪晶界位置材料的弹性模量较大。     

基于单晶铜的纳米压痕的机理分析

为了进一步深入研究纳米压痕的机理，提高纳米压痕的测量精度和应用范围，对单晶铜纳米压痕的机理展开详细分析与研究。从纳米压痕的理论方法入手，建立单晶铜的分子动力学模型，利用该模型对压力和势能进行仿真分析，并得到相应的曲线。在单晶铜的纳米压痕过程中，压力先增加后下降，其中，曲线的波动主要受表面粗糙度、表面化学反应膜、表面力、表面加工硬化等因素的影响；原子势能一直上升，最后趋于稳定，推断出纳米压痕没有出现位错的现象。最后，对纳米压痕的局限性进行总结，并针对不同的问题，提出行之有效的措施，为纳米压痕的精度提高奠定良好的基础。     

基于纳米压痕技术和AFM的单晶铝硬度测试实验研究

利用纳米压痕技术对单晶铝作压痕试验,获得载荷-压深的加载和卸载曲线。根据O liver-Pharr方法求出压头与测试材料之间接触表面的投影面积Ac和硬度值Hop。再利用原子显微镜(atom ic force m icroscopy,AFM)得到压痕的真实三维形貌图。结合M atlab对压痕进行分析,得到压痕的真实残余面积Aresidual,并计算出其硬度Hresidual。通过对两组单晶铝的硬度数据进行比较分析:在微纳米尺度下,两种方法计算得到的压痕硬度都存在压痕尺寸效应,Hresidual的压痕尺寸效应比Hop要更明显。     

原子尺度下粘滑的研究

界面间的摩擦是一个古老的物理化学问题,从实践上来说也是一个重要的问题.最近,新实验工具的发展,人们可以在纳米尺度下更详细地研究摩擦,导致微观摩擦研究蓬勃的发展.在纳米尺度下的分子系统中观察到了许多引人入胜的动力学特征,比如粘滑运动,在临界速度之上时,力的振荡以及跃迁滑移是间歇性粘滑的特征.为了研究原子尺度下粘滑运动的起源,利用分子动力学模拟的方式在一个简单模型下对其进行研究.在模拟过程中,研究了滑块的摩擦力、速度以及压力,我们发现预测结果和分子动力学模拟结果相当吻合.     

基于分子动力学的微纳米切削模拟研究进展

随着微纳米技术的发展,已经进入到微纳米科技时代,但微纳米加工领域的进一步发展却在一定程度上受到微纳米加工技术以及对微纳米加工机理缺乏认识的限制,随着微纳米加工尺度的减小,微纳米加工试验也越来越困难,现有的基于连续介质力学和剪切模型的理论分析方法已不能适用,而采用分子动力学模拟方法却能克服这些困难.通过分析国内外基于分子动力学微纳米切削加工模拟的研究现状,探讨了其研究现状的不足及未来发展的方向.     

分子动力学计算机模拟技术进展

阐述了分子动力学模拟以及进行分子动力学模拟的基本条件及步骤,介绍了国内外分子动力学计算机模拟的研究现状,指出了分子动力学模拟方法应用的进一步发展方向。展望从原子尺度方面出发来研究材料力学的力学行为,特别对裂纹、错位和晶界以及它们的相互作用的研究是可行的。     

微纳米尺度上含DNA分子流体传输规律的多尺度算法研究进展

微纳米尺度上含DNA分子流体的传输特性研究对生物微流体机械装置的设计和优化至关重要.DNA分子在流体中的运动和变形以及与周围流体的相互作用是一个耦合的、复杂的多尺度问题.由于普适的理论解缺乏,数值模拟作为一种可行且经济的技术路线现正被广泛地使用于这类问题的基础研究和各种生物微流体机械装置的实际设计及应用中.综合评述现代数值计算在模拟微纳米尺度上含DNA分子流体传输这类复杂多尺度问题上的主要进展.介绍目前模拟中广泛使用的DNA分子的聚合物链模型,重点探讨相关分子动力学方法模拟以及基于该方法的各种主要的多尺度算法发展近况.分析模拟DNA分子动力行为及周围流体传输时,存在的技术难题和相应的新发展.     

带孔纳米单晶铜悬臂梁弯曲的分子动力学模拟

应用分子动力学方法模拟了带孔纳米单晶铜悬臂梁的弯曲过程。通过一端固定另一端施加横向作用力驱使原子运动,得到纳米单晶铜悬臂梁弯曲的变形图。对其不同于宏观连续介质理论的位移-载荷曲线进行分析,给出了合理的解释。结果表明:纳米尺度下的微缺陷对纳米单晶铜悬臂梁的性能具有明显的影响;尺寸效应和表面效应的影响,以及位错滑移和弛豫的综合作用,使得纳米单晶铜悬臂梁在纳米尺度下表现出与宏观尺度下不同的力学特性。     

基于分子动力学的MEMS器件微摩擦特征仿真研究

微机电系统(MEMS)的尺度深入到微-纳米量级时,表面力与体积力相比成为起主导作用的力,其黏着效应与表面效应渐成主导的或不可忽略的机制.分子动力学模拟的日趋成熟,使人们有可能研究一种最单纯的摩擦状态,即"界面摩擦",它是指把负荷引起的塑性变形、黏着和粗糙度的影响抑制到最低限度,实现原子级光滑表面的分子接触时的摩擦状态.对不同材料的界面摩擦过程进行了分子动力学(MD)模拟研究,采用基于Morse势函数描述原子间的相互作用,以牛顿方程建立力学运动方程,使用改进后的Verlet算法求解原子运动轨迹.将MD仿真结果得出的微观摩擦规律与文献[7]等实验对比,并进行了讨论.最后在此基础上探讨了分子动力学方法在微机械设计中的作用及发展方向.     

一种新型纳米硬度检测装置的研究

纳米压痕装置是一种具有纳米级压痕深度检测能力，能够完成载荷一位移测量的一种装置，根据所得到的载荷一位移曲线可以用来获得材料的纳米硬度值。文中讨论了一种新型便携的纳米硬度检测装置的研制，并通过对单晶铝进行压痕试验，验证此硬度检测装置的实用性与可靠性。     

基于原子力显微镜和分子动力学的纳米压痕技术研究

利用原子力显微镜对真空蒸发镀膜技术制得的单晶铜薄膜试件进行了纳米压痕试验。通过进行各种压痕深度下的试验,获得了压痕深度对试件力学性能的影响关系。试验得到的试件弹性模量为67.0 GPa±6.9 GPa。试件的硬度值随着压痕深度的减小而不断增大,表现出强烈的尺寸效应。在原子力显微镜试验的同时,使用分子动力学仿真方法对单晶铜薄膜的纳米压痕过程进行了研究。仿真结果表明单晶铜薄膜的纳米压痕的力学机理不是位错在晶体中运动产生的塑性变形,而是非晶态产生的变形,从而解释了尺寸效应产生的原因。     

直接面积法测量纳米硬度技术的研究

利用纳米压痕技术对单晶硅做纳米压痕试验,得到其载荷-压深曲线.用原子力显微镜测出压痕的三维形貌,结合Matlab软件,直接计算出压痕的残余面积,从而得到单晶硅的纳米硬度值.通过对直接面积法与Oliver-Pharr方法测出的硬度值进行分析比较,发现两种方法得到的硬度值都有压痕尺寸效应,但用直接面积法得到的硬度值比用Oliver-Pharr方法得到的硬度值尺寸效应更明显一些.