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探究晶体铜纳米机械加工技术的表层形成机理
摘要：晶体铜纳米机械加工技术前的发展受到机械加工理论及实际加工工艺、质量测量等诸多方面的制约,对加工表面形成机理及损伤的控制、测量等方面均有待理论和实践多方面的提高。表层形成机理是机械加工机理的重要一环,制约着纳米机械技术的提高。为此,文章基于分子动力学可信有用的模拟原理,从晶体铜纳米机械加工原理、表层损伤的检测控制等方面对晶体铜纳米机械加工技术的表层形成机理进行了分析。
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1、基于分子动力学的晶体铜纳米机械加工机理
1.1单晶铜纳米机械的加工机理
单晶铜材料是指原子的晶体取向均相同的晶体铜,内部无晶界,塑性变形由位错形核、运动实现。用分子动力学模拟单晶铜金刚石的微探针刻划,研究其对单晶铜的位错形核、运动的影响,即可分析出其塑性变形的形成机理。最终表明,单晶铜的微错交互作用会使工件在加工时硬化,使整体加工所需的力增加;而位错运动使材料在加工时终止后留下原子台阶,使其加工表面出现材料堆积的现象。另外,其表面材料堆积的具体形状与增加方向由和其滑移面与自身自由表面的相对几何形态的关系决定,因而材料的晶向直接影响着其表面形成的诸多因素[1,2,3]。
单晶铜工件加工厚度与其变形的转变有着对应关系,其最小加工厚度与弹性变形向塑性变形转变的压痕深度相对应,而微探针针尖半径与压痕深度成正比例关系,针尖半径越大,压痕深度增加。而刀具的几何形状影响着加工接触面积及工件承受力的状态,因此也影响微观中材料内部的位错运动。
1.2双晶铜材料的纳米机械加工机理
较制作难、成本高的单晶铜材料相比,实际纳米加工时,多采用制作简单、成本较低的多晶体铜为纳米加工材料。多晶铜的塑性变形是其晶界阻碍内部位错运动时产生的,并会造成内部晶界的变形。因而多晶铜的加工机理与单晶铜有着明显的区别,其形变机理由位错运动与晶界相互作用而产生[4]。
用分子动力学模拟刻划过程,表明多晶铜的位错与晶界的交互作用受压痕力、加工方向等因素的影响,材料变形堆积的增加情况与加工刻划的角度有关。材料晶界阻碍内部位错进行运动,会进一步使工件出现硬化的情况,降低材料耐磨性能,还会加剧材料表面的堆积增殖情况。同时,材料晶界一定程度上可以吸收加工产生的位错运动,在孪晶界发生迁移。
2、晶体铜纳米机械加工表面形成的损伤预测和控制
2.1晶体铜纳米机械加工表面形成的损伤预测
不同种类的晶体材料在纳米机械加工时会因不同的机理产生表面的形变和材料堆积,甚至出现损伤,影响到工件的耐磨性等质量因素,因此需要基于加工表层的形成机理,对表层损伤进行准确预测,才能方便控制工件表层的质量。如加工精密光学零件时,表面损伤层有裂纹层及其下方残余应力层,会降低光学零件使用时的强度、稳定性及成像的质量,因此必须对纳米工件的表面损伤层进行全面、准确的检测。
基于分子动力学模拟晶体纳米加工,可以定量地、准确地预测材料表面的损伤层深度等情况。首先,单晶铜在纳米加工时由于自身形变过程的关联因素较简单,内部运动只表现为位错运动,刀具施加外力会使其产生永久的塑性变形,严重的会断裂,在产生表面损伤的同时,还会在内部产生更复杂的结构缺陷或组织变化。其表面的损伤分布则受到工件塑变机理和与微探针距离的影响。
利用原子势能度不同区域变化的测量模型,则可以判定纳米加工时材料内部的分子变形程度,从而对表面变形的深度、位置进行预测。而刀具的负前角对材料的表面变形有明显影响。
2.2晶体铜纳米机械加工表面形成的损伤控制
利用晶体铜加工机理中的孪晶变形机理及其与位错等运动的关系,可以利用孪晶变形来控制、改善工件表面的损伤情况。利用分子动力学模拟晶体铜在纳米加工时的孪晶变形机理,得出晶体铜在微探针刻划时,孪晶界产生从形成到迁移,再到去孪生等一系列的变形机理。而位错分解会改变孪晶界对晶粒原子晶体的取向,产生位错滑移,进一步加重材料表层的塑性变形。而位错在孪晶界上的运动,会导致孪晶界发生迁移,从而产生去孪生、重生孪晶的现象。工件塑性变形会因位错与孪晶界的交互作用而改变表面的损伤位置、数量及程度。具体而言,孪晶界间距小时,位错沿孪晶界运动,去孪生消失,部分变形;孪晶界间距大时,位错与孪晶界相交,工件内部生成新孪晶。孪晶界的间距是控制工件材料变形的重要因素。
3、结束语
纳米机械加工是先进机械制造中的重要一类,具有广泛的发展前景和发展空间。然而,我国的研究尚不全面,多为对单晶材料的研究,文章利用分子动力学较全面地分析了单晶和多晶材料的纳米加工机理,并分析了其表面损伤的形成机理和监测、控制方法,希望能给相关的研究和实践提供有价值的参考。
参考文献:
[1]陈明君,庞启龙,刘新艳.KDP晶体微纳加工表层杂质对其激光损伤阈值影响的有限元分析[J].强激光与粒子束,2012,20(7):1182-1186.
[2]吴东江,曹先锁,王强国.KDP晶体加工表面的亚表面损伤检测与分析[J].光学精密工程,2014,15(11):1721-1726.
[3]张俊杰.基于分子动力学的晶体铜纳米机械加工表层形成机理研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2011.
[4]朱宗孝.单晶镍纳米加工表面与切屑形成机理及影响因素研究[D].沈阳:东北大学,2017.
刘雅聪,刘荣伟,孙杨锋,李万东,侯和龙,朱乐.分子动力学的晶体铜纳米机械加工表层形成机理研究[J].南方农机,2020,51(10):8.
基金:2019年承德市社会发展研究课题“物联网——承德钒钛产业多样化发展和深层利用”(20193073).
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2020-09-09
半导体光催化技术因其仅利用太阳能作为能源来降解污染物而被认为是一种很有前途的解决环境污染问题的技术。尽管人们对TiO2、ZnO和WO3等半导体做了大量研究，但这些半导体的光催化效率仍低于商业化所需的效率。限制效率的因素包括：(1)对太阳光不能完全吸收利用；(2)催化剂的稳定性差；(3)快速的电子-空穴复合速率；(4)缓慢的表面氧化还原反应速率。
2020-09-05
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2020-09-05
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2020-09-05
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2020-09-05
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2020-09-05
针对粉体MOF衍生材料存在制备工艺复杂、薄膜厚度难以控制等问题，我们通过液相外延分步生长法制备了一种金属有机框架薄膜(PIZA-1)，然后以其作牺牲模板，在惰性氛围中制备了一种CoSe2和N共掺杂的碳膜(CoSe2/N-CF)，并用作DSSC对电极，其具有制备简单、粘结力强、厚度可调等优势。系统表征了CoSe2/N-CF形貌特点、结构性质及电化学性能，并深入研究了不同厚度薄膜、CoSe2颗粒大小对DSSC的光伏性能的影响。
2020-09-05
糖尿病是威胁人类健康的一大杀手，是世界上导致残疾和死亡的十大疾病之一。糖尿病对患者的健康、寿命和生活质量有重大影响，且糖尿病患者数量逐年增加。人体血糖水平是诊断糖尿病的关键指标，因此，快速、灵敏检测人体血糖水平对糖尿病的诊断和治疗具有重要意义。电化学传感器具有制备简单、成本低和分析速度快等优势，是检测葡萄糖的有效手段。
2020-09-05
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期刊名称：化学学报
期刊人气：3908
主管单位：中国科学院
主办单位：中国科学院上海有机化学研究所,中国化学会
出版地方：上海
专业分类：化学
国际刊号：0567-7351
国内刊号：31-1320/O6
邮发代号：4-209
创刊时间：1933年
发行周期：月刊
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2020-07-01
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