三体抛光过程中单晶硅内纳米裂纹的演化研究
发布时间：2022-01-17 11:12
抛光过程中纳米裂纹的演变对工件质量有重要影响。为了探究三体抛光过程中纳米裂纹的演化情况,建立了分子动力学（MD）模型和理论计算模型,研究了纳米裂纹的演化过程以及初始温度对裂纹演化的影响。研究发现仿真和计算结果吻合较好,且裂纹倾向于闭合而不是扩展。仿真表明,裂纹愈合有两种不同的方式:原子的协同位移和相变原子的填充。此外,初始温度变化会影响原子的相变和裂纹的最终愈合效果。计算表明,抛光过程中沿裂纹线存在明显的应力分布不均,理论计算得到的应力能很好地解释裂纹在模拟过程中的愈合过程。研究结果可为少缺陷单晶硅的制备提供有益的指导。
【文章来源】：组合机床与自动化加工技术. 2020,(08)北大核心
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
原子配位数变化
表1 仿真参数 材料 工件:Si 刀具:金刚石 大小 40a×40a×15a(a=5.43A) 半径6nm 原子数 194415 138061 移动速度 200ms-1 自转100 ms-1 加工表面 在(0 1 0)面上沿(-1 0 0 )方向 步长 1fs 系综 NVE 松弛时间 50000步 初始温度 300K、600K、900K、1200K 抛光深度 3nm 裂纹深度 工件表面下1.5～9.5 nm如图1所示,工件分为3个区域:牛顿原子层,恒温原子层和边界原子层。牛顿原子层是磨粒与工件接触过程中的实际接触层。这些原子的运动可以用牛顿方程来描述。恒温原子层是用来及时有效地传递接触过程中产生的热量的。这样可以保证接触区在接触过程中的温度稳定性。在该区域保持温度恒定的方法是采用速度重标法。为了研究不同初始下的裂纹演化情况,恒原子层的温度被分别设置为300K、600K、900K、1200K这4种情况。边界原子层不参与模拟计算。为了防止整个模型在接触过程中的运动和迁移,减少工件的尺度效应,边界层中的原子始终处于固定状态。此外,在工件的z方向应用周期性边界条件,减小裂纹的尺寸效应。通过删除工件中的原子[5]可需要的初始裂纹,本文中裂纹都沿Z轴方向穿透工件。裂纹距上表面1.5nm,深度为8nm,裂纹逆时针旋转45o后平行于y轴,裂纹位置如图2所示。
如图1所示,工件分为3个区域:牛顿原子层,恒温原子层和边界原子层。牛顿原子层是磨粒与工件接触过程中的实际接触层。这些原子的运动可以用牛顿方程来描述。恒温原子层是用来及时有效地传递接触过程中产生的热量的。这样可以保证接触区在接触过程中的温度稳定性。在该区域保持温度恒定的方法是采用速度重标法。为了研究不同初始下的裂纹演化情况,恒原子层的温度被分别设置为300K、600K、900K、1200K这4种情况。边界原子层不参与模拟计算。为了防止整个模型在接触过程中的运动和迁移,减少工件的尺度效应,边界层中的原子始终处于固定状态。此外,在工件的z方向应用周期性边界条件,减小裂纹的尺寸效应。通过删除工件中的原子[5]可需要的初始裂纹,本文中裂纹都沿Z轴方向穿透工件。裂纹距上表面1.5nm,深度为8nm,裂纹逆时针旋转45o后平行于y轴,裂纹位置如图2所示。在微观原子模拟计算中,选择合适的势能函数和系统状态是获得精确结果的前提。在本研究中,抛光过程模拟中有3种不同的原子相互作用。工件内硅原子之间的相互作用(Si-Si)由Pastewka等[9]开发的一种新型Tersoff势模拟。为了加快计算速度和提高工作效率,硅原子和碳原子之间的相互作用,采用Morse型三体势描述[10]。金刚石磨料中碳原子之间的相互作用被忽略,因为刀具被视为刚体[10]。为保证仿真精度,模型使用Velocity Verlet算法以1fs的时间步长进行积分,每2500步输出一次计算结果。此外,抛光在NVE(微正则系综)中进行。本文采用Lammps软件进行MD仿真。获得的数据由Ovito软件进行处理。
【参考文献】：
期刊论文
[1]超精密磁流变复合抛光技术研究进展[J]. 肖晓兰,阎秋生,潘继生,于鹏,梁华卓,陈润. 广东工业大学学报. 2016(06)
本文编号：3594628
【文章来源】：组合机床与自动化加工技术. 2020,(08)北大核心
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
原子配位数变化
表1 仿真参数 材料 工件:Si 刀具:金刚石 大小 40a×40a×15a(a=5.43A) 半径6nm 原子数 194415 138061 移动速度 200ms-1 自转100 ms-1 加工表面 在(0 1 0)面上沿(-1 0 0 )方向 步长 1fs 系综 NVE 松弛时间 50000步 初始温度 300K、600K、900K、1200K 抛光深度 3nm 裂纹深度 工件表面下1.5～9.5 nm如图1所示,工件分为3个区域:牛顿原子层,恒温原子层和边界原子层。牛顿原子层是磨粒与工件接触过程中的实际接触层。这些原子的运动可以用牛顿方程来描述。恒温原子层是用来及时有效地传递接触过程中产生的热量的。这样可以保证接触区在接触过程中的温度稳定性。在该区域保持温度恒定的方法是采用速度重标法。为了研究不同初始下的裂纹演化情况,恒原子层的温度被分别设置为300K、600K、900K、1200K这4种情况。边界原子层不参与模拟计算。为了防止整个模型在接触过程中的运动和迁移,减少工件的尺度效应,边界层中的原子始终处于固定状态。此外,在工件的z方向应用周期性边界条件,减小裂纹的尺寸效应。通过删除工件中的原子[5]可需要的初始裂纹,本文中裂纹都沿Z轴方向穿透工件。裂纹距上表面1.5nm,深度为8nm,裂纹逆时针旋转45o后平行于y轴,裂纹位置如图2所示。
如图1所示,工件分为3个区域:牛顿原子层,恒温原子层和边界原子层。牛顿原子层是磨粒与工件接触过程中的实际接触层。这些原子的运动可以用牛顿方程来描述。恒温原子层是用来及时有效地传递接触过程中产生的热量的。这样可以保证接触区在接触过程中的温度稳定性。在该区域保持温度恒定的方法是采用速度重标法。为了研究不同初始下的裂纹演化情况,恒原子层的温度被分别设置为300K、600K、900K、1200K这4种情况。边界原子层不参与模拟计算。为了防止整个模型在接触过程中的运动和迁移,减少工件的尺度效应,边界层中的原子始终处于固定状态。此外,在工件的z方向应用周期性边界条件,减小裂纹的尺寸效应。通过删除工件中的原子[5]可需要的初始裂纹,本文中裂纹都沿Z轴方向穿透工件。裂纹距上表面1.5nm,深度为8nm,裂纹逆时针旋转45o后平行于y轴,裂纹位置如图2所示。在微观原子模拟计算中,选择合适的势能函数和系统状态是获得精确结果的前提。在本研究中,抛光过程模拟中有3种不同的原子相互作用。工件内硅原子之间的相互作用(Si-Si)由Pastewka等[9]开发的一种新型Tersoff势模拟。为了加快计算速度和提高工作效率,硅原子和碳原子之间的相互作用,采用Morse型三体势描述[10]。金刚石磨料中碳原子之间的相互作用被忽略,因为刀具被视为刚体[10]。为保证仿真精度,模型使用Velocity Verlet算法以1fs的时间步长进行积分,每2500步输出一次计算结果。此外,抛光在NVE(微正则系综)中进行。本文采用Lammps软件进行MD仿真。获得的数据由Ovito软件进行处理。
【参考文献】：
期刊论文
[1]超精密磁流变复合抛光技术研究进展[J]. 肖晓兰,阎秋生,潘继生,于鹏,梁华卓,陈润. 广东工业大学学报. 2016(06)
本文编号：3594628
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