考虑空位缺陷的单晶硅纳米级磨削过程的分子动力学仿真

基于第一性原理,构建并验证了考虑空位缺陷的单晶硅纳米级磨削过程的分子动力学仿真模型.通过磨削过程的分子动力学仿真计算,从原子空间角度分析了单晶硅纳米级磨削过程中原子瞬间位置变化、温度波动、作用力大小和势能波动等变化,解释了纳米级超精密磨削过程中材料的去除过程,描述了切屑形成过程和加工表面形成机理.分析了空位缺陷对加工过程和表面质量的影响,并对空位在仿真过程中的作用进行了研究.     

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。     

基于分子动力学的单晶硅纳米压痕过程分析

基于分子动力学角度,本文主要分析了单晶硅的纳米压痕过程,并尝试解释其瞬间原子位置、作用力变化以及其压痕过程等原理。经过笔者试验发现:磨粒的不断压入,会使单晶硅的硅晶格发生变成,且磨粒产生的能量会以应变能的形式存储在晶格之中。同时,随着硅原子势能增加到一定数值时,硅原子键就会以断裂形式变成非晶层堆积在磨粒下方。当磨粒离开单晶硅时,非晶层开始重构,释放能量,达到新的平衡状态。     

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。     

单晶硅各向异性纳米切削分子动力学研究

在293K温度下,通过分子动力学仿真软件LAMMPS建立单晶硅(100)、(110)和(111)不同晶面的纳米切削仿真模型,对样件内部原子之间相互作用选用改进型Tersoff势函数描述,并结合OVITO可视化分析,研究了样件的表面完整性演化规律和亚表层损伤机制.结果 表明:在纳米切削时,材料去除方式主要靠刀具的法向挤压...     

单晶硅纳米力学性能的测试

对材料纳米力学性能测试手段进行了研究,着重分析了纳米压痕技术的原理和方法.结合纳米压痕技术,采用尖端四面体Vickers型单晶金刚石压头对单晶硅(100)晶面进行了纳米压痕实验测试.实验发现,在载荷为1 000 mN时,晶体硅出现了明显的裂纹和脆性断裂;而在载荷低于80 mN的情况下,晶体硅则表现出延性特性.此外,在不同载荷条件下对晶体硅的硬度进行了实验测试,测试结果发现,不同载荷条件下晶体硅的硬度测量值存在较大的差异,认为导致这种差异的原因在于压痕区域晶体硅所受压力不同,使得晶体硅内部结构发生了改变,较为准确的单晶硅的硬度测量值为15.7 GPa.     

二维超声磨削纳米氧化锆陶瓷的磨削力特性研究

对纳米氧化锆陶瓷在二维超声磨削条件下的磨削力进行了理论分析与实验研究,并与相同磨削参数下的普通磨削方式的磨削力进行了比较和分析。研究表明:与普通磨削相比,二维超声磨削可获得椭螺线式的加工轨迹,大大减小了平均磨削力,扩大了纳米陶瓷的塑性加工域,表面质量得到明显的改善。     

单晶硅的磨削辅助电火花线切割机理研究

针对目前磨削辅助电火花线切割(A-WEDM)微观切割机理尚不明确的问题,以单晶硅为加工对象,通过设计电路对最大放电间隙进行了测量。通过采集和分析加工中的放电波形、观测加工后工件表面形貌同时比较磨粒出刃高度与放电间隙的大小,研究了A-WEDM材料去除机理。考察了4个因素(脉冲宽度、占空比、进给速度和线锯速度)对A-WEDM切割单晶硅的材料去除率和表面粗糙度的影响。实验结果表明,A-WEDM切割单晶硅的最大放电间隙为57μm,在加工的初始阶段先产生放电腐蚀作用;当加工处于稳定阶段时,在每个脉冲宽度内,工件材料在放电腐蚀与金刚石颗粒磨削的耦合作用下被去除;而在每个脉冲间隔内,放电腐蚀作用停止,金刚石颗粒的磨削作用仍然存在,从而去除了放电产生的部分重铸层与电蚀坑。     

单晶硅超精密加工的分子动力学仿真研究进展

介绍了分子动力学的基本原理和仿真方法,阐述了其在超精密加工机理研究中的重要作用,描述了应用分子动力学仿真技术研究单晶硅超精密加工时采用的Tersoff势能函数。对国内外应用分子动力学研究单晶硅超精密加工机理的进展情况进行了综合评述,指出了分子动力学仿真研究存在的问题和今后的发展方向。     

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.     

采用AFM研究单晶硅纳米加工特性

为获得AFM金刚石微探针在纳米尺度上加工脆性材料的加工特性,在AFM系统上对单晶硅表面进行了刻划、加工实验.实验结果与宏观车削加工结果进行了对比,得出在纳米尺度上进行的加工属塑性域加工.采用AFM金刚石微探针加工硅表面的加工质量主要受材料残留高度和形成的切屑在已加工表面的粘结两个因素影响.验证了AFM作为一种加工工具,受其刻划方向的影响,可以很容易地实现纳米量级材料的去除,得到厚度为数个纳米的切屑.     

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.     

单晶硅纳米切削的材料去除方式的研究

当材料切削厚度达到纳米级别,材料去除机理理论尚不成熟,需要通过分子动力学模拟仿真来研究纳米级切削仿真,从而进一步研究材料去除的机理。对于材料的去除方式,主要就不同刀具形状及切削角度来详细讨论了材料的去除方式。在切削前角较小的情况下,材料去除主要以推挤方式去除。由于在纳米级尺度下,随着刀具的移动,刀具前端的单晶硅变为非晶状态,原子晶格变为无序状态,一部分原子向上移动形成切屑,材料去除是不可能类似剪切方式有面的滑移的方式去除的,只能以原子方式去除,故只能以推挤方式进行材料去除。     

单晶硅微尺度侧磨削边缘崩裂影响因素试验研究

为提高单晶硅材料微细加工过程中表面质量和单晶硅零部件的使用寿命,采用直径为0.9 mm、电镀500#金刚石磨粒的微磨棒沿单晶硅(100)晶面进行三因素五水平微尺度侧磨削试验.首先,通过极差分析和灰色关联分析,研究了磨削参数影响单晶硅边缘崩裂的主次因素;其次,优化出获得较低边缘崩裂长度值的加工参数组合;最后,通过单因素试...     

纳米结构陶瓷涂层的磨削机理

用压痕断裂力学模型或切削加工模型来处理纳米结构陶瓷的磨削去除机理.把磨削中磨粒与工件的相互作用近似看成理想的小规模压痕现象,研究磨削裂纹的形成与扩展过程、材料的去除过程以及陶瓷磨削表面缺陷来评价陶瓷加工表面质量.切削加工模型证明了虽然材料去除通常由脆性去除实现,但大部分磨削能消耗与塑性变形有关.     

多晶硅的纳米切削的分子动力学仿真研究

分子动力学方法是探索纳米级机械加工机理的有力工具。这里运用分子动力学方法对人工构造的多晶体材料——多晶硅的纳米切削进行了三维仿真，采用了最适用于碳族材料的Tersoff势函数来描述工件上的硅原子、刀具上的碳原子及他们之间的相互作用。材料模型中包含了点缺陷、线缺陷、不同晶向及晶界等在多晶体材料中出现频繁的典型结构。通过对结果的分析，使我们对多晶体的纳米切削机理有了新的认识。     

难加工材料高效精密磨削技术研究进展

针对难加工材料特点,分析了典型难加工材料的磨削特性,综述了缓进给磨削、精密超精密磨削在难加工材料磨削加工领域的国内外研究进展。介绍了高效深磨技术的原理及其在难加工材料磨削中的应用现状,指出高效深磨技术能够实现对难加工材料的优质而高效的加工,具有广泛的应用前景,并指出了高效深磨技术应用于难加工材料磨削加工的进一步研究方向。     

单晶硅二维超声振动辅助磨削技术的实现

基于超声振动磨削能有效提高加工效率及加工表面质量的特性,通过设计具有伸缩和弯曲两种模态的压电陶瓷椭圆振子,实现了单晶硅二维椭圆振动磨削技术。对超声振子的振动特性进行检测,证实改变压电陶瓷两电极之间的交流信号相位差和电压幅值,可得到不同形状和振幅的椭圆振动。对单晶硅进行超声磨削与普通磨削的对比试验,结果表明二维振动磨削的磨削力大幅降低,表面粗糙度显著减小,表面质量明显提高,加工表面延性域去除比例增加。从而证实二维超声振动磨削方法能够实现高效率高质量单晶硅加工。     

磨削过程模拟及磨削机理研究（下）

３磨削机理研究３．１磨削用量及参数磨削运动：外圆磨削（逆磨）,砂轮速度Ｖ＝３０×１０３ｍｍ／ｓ,工件速度ｖ＝５×１０２ｍｍ／ｓ,纵向进给速度ｓ＝８ｍｍ／ｓ,加工余量ｔ＝４０×１０－３ｍｍ;工件参数：工件半径ｒ＝５０ｍｍ;砂轮参数：砂轮半径Ｒ＝１５０ｍ...