单晶硅纳米级磨削过程的理论研究

对内部无缺陷的单晶硅纳米级磨削过程进行了分子动力学仿真,从磨削过程中瞬间原子位置、磨削力、原子间势能、损伤层深度等角度研究了纳米级磨削加工过程,解释了微观材料去除、表面形成和亚表面损伤机理。研究表明：磨削过程中,单晶硅亚表面损伤的主要形式是非晶结构形式,无明显的位错产生,硅原子间势能的变化是导致单晶硅亚表面损伤的重要原因;另外,发现磨粒原子与硅原子之间有黏附现象发生,这是由于纳米尺度磨粒的表面效应而产生的。提出了原子量级条件下单晶硅亚表面损伤层的概念,并定义其深度为沿磨削深度方向原子发生不规则排列的原子层的最大厚度。     

单晶硅磨削过程分子动力学仿真并行算法

建立单晶硅超精密磨削过程的三维分子动力学仿真模型,分析分子动力学仿真串行程序特点和并行仿真的可行性,提出基于区域二次划分的分子动力学仿真并行算法.编制并行仿真程序,进行分子动力学仿真,从瞬间原子位置图方面分析单晶硅超精密磨削过程的加工机理.将并行仿真结果与串行程序仿真结果进行对比分析,从瞬间原子位置图和系统能量方面验证并行程序结果的正确性,在仿真规模和计算时间方面并行程序有很大优势,从而说明并行仿真程序是有效的,可以应用在不同原子规模的分子动力学仿真计算中.     

单晶硅超精密磨削过程的分子动力学仿真

对内部无缺陷的单晶硅超精密磨削过程进行了分子动力学仿真,从原子空间角度观察了微量磨削过程,解释了微观材料去除、表面形成和亚表面损伤机理,并分析了磨削过程中的磨削力和磨削能量消耗。研究表明:磨削过程中,在与磨粒接触的硅表面原子受到磨粒的挤压和剪切发生变形,堆积在磨粒的前方,当贮存在变形晶格中的应变能超过一定值时,硅的原子键断裂,即完成了材料的去除;随着磨粒的运动,磨粒前下方的硅晶格在磨粒的压应力作用下晶格被打破,形成了非晶层,非晶层不断向前向深处扩展,造成了单晶硅亚表面的损伤;同时部分非晶层原子在压应力的作用下与已加工表层断裂的原子键结合,重构形成已加工表面变质层。     

单晶硅纳米磨削亚表面损伤形成机制及其抑制研究

硅晶圆纳米磨削过程中产生的亚表面损伤限制了其使用寿命，亟需研究纳米磨削过程中单晶硅的亚表面损伤形成机制和抑制方法。文章首先建立了单晶硅纳米磨削的分子动力学仿真模型，研究其亚表面损伤形成机制。随后研究了磨削参数对磨削过程中磨削力、磨削温度以及亚表面损伤形成的影响机制。最后提出了单晶硅纳米磨削的损伤抑制策略。结果表明：单晶硅纳米磨削过程中结构相变和非晶化是其主要亚表面损伤形成机制。原始的Si-Ⅰ相在挤压和剪切作用下形成了Si-Ⅱ相、Si-Ⅲ相、Si-Ⅳ相、bct5-Si相以及非晶。磨削深度增加导致了磨削力和磨削温度升高，而磨削速度的增加导致磨削力减小，磨削温度升高。磨削力增大是导致亚表面损伤严重的主要原因，而一定程度的高温有利于抑制单晶硅的亚表面损伤。在纳米磨削单晶硅时，可通过减小磨削深度和提升磨削速度来实现亚表面损伤的抑制。     

氮化硅陶瓷磨削温度与表面变质层的仿真与实验

为了揭示氮化硅陶瓷磨削温度分布规律以及其对表面成形的影响,首先,建立氮化硅陶瓷纳米级切削的分子动力学模型;其次,研究切削过程中切削参数对切削温度的影响,以及加工过程中切削表面变质层的形成过程;最后,对 K 型热电偶测温和表面能谱分析的仿真与实验结果进行对比分析.结果表明:随着金刚石磨粒切削深度和切削速度的增加,原子晶格发生变形和非晶相变过程中时释放的能量增多,从而使切削温度升高;切削高温会引起氮化硅陶瓷发生非晶相变现象,非晶态原子重新与已加工表面断裂的原子键结合形成表面变质层;分子动力学仿真模型可以用来预测氮化硅陶瓷材料实际磨削加工中磨削温度变化情况,对生产加工具有参考价值.     

分子动力学仿真过程中硅晶体位错模型的构建

基于位错形成机理,在单晶硅晶体结构基础上描述了硅晶体位错形成的过程。应用偶极子模型,构建了60°滑移位错芯和螺旋位错芯,进而得到硅晶体含有60°滑移位错的模型和含有螺旋位错的模型。对含有螺旋位错的硅晶体模型进行了分子动力学仿真计算,分析了含有螺旋位错的硅晶体超精密磨削的加工过程,研究了含有螺旋位错缺陷的硅晶体纳米级磨削机理。     

镍磷合金超精密磨削过程的分子动力学仿真

运用分子动力学对单颗二氧化硅磨粒磨削镍磷合金过程进行模拟,研究不同磨削速度和压力下的磨削过程、磨削过程中正压力对磨削深度的影响以及磨削过程中势能的变化规律,并对其波动原因进行分析。仿真结果表明,在镍磷合金磨削过程中,随着磨粒的运动,二氧化硅磨粒对镍磷合金表面产生挤压作用,导致合金表面层发生剪切变形,使得部分原子堆积在磨粒前方并储存应变能。当应变能超过合金原子键断裂所需的能量时,合金原子之间的金属键发生断裂,形成对合金表面层的去除。随着应变能储存及金属键断裂的往复进行,磨削力及势能处于往复波动状态。     

基于分子动力学的单晶硅压痕过程计算机仿真研究

对单晶Si的压痕过程进行了分子动力学模拟.采用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算法解原子运动轨迹,通过对MD仿真结果的分析研究,将压痕过程分为三个特征阶段,即初期弹性变形阶段、中期塑性变形阶段及非晶层形成阶段.并从原子角度分析了压痕过程中原子间势能、磨削力的变化、应力状态、磨削温度等特征,解释了微观材料的去除和表面形成机理.     

纳米加工分子动力学仿真应用及实例

详细介绍了国外分子动力学仿真技术在纳米加工中的应用情况.合理选择了超高速纳米磨削单晶铜和单晶铝的分子动力学仿真势函数,进行了纳米磨削分子动力学仿真实验,并对仿真结果进行了分析和研究,得出了超高速纳米磨削单晶铜和单晶铝时工件所能获得的极限表面粗糙度值,预测了超高速纳米磨削单晶铜时工件表面变形层的极限深度和所能达到的极限加工精度.     

纳米切削多晶铜的分子动力学仿真研究

采用Voronoi方法建立了多晶铜切削模型,基于分子动力学方法实现了多晶铜纳米切削加工的二维分子动力学仿真。分别选用EAM势函数和Morse势函数来计算工件原子间以及工件原子和刀具原子间的相互作用。对切削过程和切削力的变化进行了分析,发现晶界会阻止位错向晶粒内部传播,在已加工区域表面,前一晶粒中的原子会随刀具运动到下一晶粒中形成晶界,切削过程中切削力随时间波动剧烈,并在晶界处会出现瞬时的峰值。