光学石英玻璃纳米加工性能的研究

发布时间：2017-07-08 01:10

  本文关键词：光学石英玻璃纳米加工性能的研究

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【摘要】：光学石英玻璃由于其独特的光学性能和稳定的物理化学性能,在高新技术领域有着广泛的应用,特别在恶劣的环境下,更是具有不可替代的地位。但是石英玻璃的机械加工性能十分差,在超精密加工时,非常容易出现裂纹和损伤,严重的限制了石英玻璃的应用和发展,但是受限于纳米级的加工条件,研究进展缓慢,目前对于石英玻璃纳米级加工性能的研究依然存在很大的问题,在纳米尺度上,仿真的办法逐渐显示出巨大的优势,特别是分子动力学仿真,已经成为研究纳米尺度上材料加工性能的一种强有力的手段。基于以上的问题和现状,本文提出了采用分子动力学仿真结合纳米压痕实验的办法,开展石英玻璃纳米加工性能的研究工作。为了解决计算能力的问题,基于CPU加速技术,搭建了大规模的分子动力学仿真平台,实现了多台计算机并行计算,通过集群测试发现,仿真规模可以实现亚微米级别,原子数目达到上亿个,集群加速比可达到1.65。基于石英玻璃的实际制造过程,通过熔融-淬火的方式获得了石英玻璃的非晶态仿真模型,通过密度(2.285g/cm3)和硬度(9.7～10.7Gpa)等参数验证了模型的正确性,并通过微观结构的观察,发现由于内部化学键的重组,原子之间无法密集堆积,形成了许多的微观缺陷,对于后续加工有很大的影响。纳米压痕仿真中主要研究了材料的力学性能、表面形貌、亚表面损伤和内部缺陷原子的运动规律,发现石英玻璃的硬度和弹性模量随着压深的增大会有减少的趋势,表面压痕形貌没有明显的材料堆积现象,而内部缺陷原子的运动主要有三种：转移、消失和稠密化。缺陷原子的运动会对力学性能的变化和最后的损伤层形成有一定的影响。纳米划痕仿真中,主要研究了在不同条件下力和温度的变化、缺陷结构的运动和划过表面的力学性能。得出材料变形规律是稠密化过程,不是塑性流动现象,这也是表面密度增大的原因。对于不同参数,得出多次加工会降低切削力,有利于划痕的稳定。通过分析划过区域的微观结构,发现表面的硬度增加了18%,弹性回弹率降低了8%,力学性能变化的原因是出现了大量的5配位的硅原子。最后进行了纳米压痕实验,主要研究了力学性能和材料的表面形貌,得出随着恒定载荷的不断增大,材料的弹性模量、纳米硬度和弹性回弹率不断的减少,证明了仿真的正确性。比较了不同载荷的表面形貌,发现材料稠密化后,材料的堆积会变成主要的变形规律,补充了仿真的不足。最后研究了加载次数和速度对材料变形和力学性能的影响。
【关键词】：分子动力学仿真 石英玻璃 内部缺陷 纳米压痕 纳米划痕
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ171.731
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 绪论9-17
• 1.1 课题来源、研究背景及意义9-11
• 1.1.1 课题来源9
• 1.1.2 课题的研究背景及意义9-11
• 1.2 石英玻璃纳米加工性能的国内外研究现状11-16
• 1.2.1 石英玻璃纳米加工性能的仿真研究11-14
• 1.2.2 石英玻璃纳米加工性能的实验研究14-16
• 1.3 本文主要研究工作16-17
• 2 分子动力学方法的基本原理17-28
• 2.1 引言17-18
• 2.2 分子动力学的基本理论18-24
• 2.2.1 系综的选择18
• 2.2.2 原子间的势函数18-20
• 2.2.3 基本运动方程的求解20-22
• 2.2.4 原子边界和时间步长22-23
• 2.2.5 温度控制方法23
• 2.2.6 分子动力学仿真软件与显示软件23-24
• 2.3 基于CPU并行技术的高性能计算机集群24-27
• 2.4 本章小结27-28
• 3 石英玻璃纳米压痕仿真28-45
• 3.1 引言28
• 3.2 石英玻璃MD模型的构建28-33
• 3.2.1 基于石英晶体的建模方法28-31
• 3.2.2 石英玻璃模型的验证和缺陷结构的分析31-33
• 3.3 石英玻璃纳米压痕仿真过程的建立33-34
• 3.3.1 石英玻璃纳米压痕模型的建立33
• 3.3.2 石英玻璃纳米压痕仿真参数设定33-34
• 3.4 石英玻璃纳米压痕仿真结果分析34-43
• 3.4.1 载荷-位移曲线34-35
• 3.4.2 表面形貌分析35-36
• 3.4.3 压深对石英玻璃纳米压痕的影响36-40
• 3.4.4 石英玻璃内部缺陷和最后损伤层分析40-43
• 3.5 本章小结43-45
• 4 石英玻璃纳米划痕仿真研究45-56
• 4.1 引言45
• 4.2 石英玻璃纳米划痕仿真过程的建立45-47
• 4.3 石英玻璃纳米划痕结果分析47-50
• 4.3.1 石英玻璃纳米划痕力学性能研究47-48
• 4.3.2 划痕深度和速度对划痕过程的影响48-50
• 4.3.3 石英玻璃纳米划痕过程中内部缺陷的变化50
• 4.4 石英玻璃划过表面的加工性能研究50-55
• 4.4.1 划过表面的力学性能50-52
• 4.4.2 划过表面的微观结构分析52-53
• 4.4.3 多次划痕下的加工性能研究53-55
• 4.5 本章小结55-56
• 5 石英玻璃纳米加工性能的实验研究56-66
• 5.1 纳米压痕实验的实验原理56-57
• 5.2 石英玻璃纳米压痕实验材料和设备57-59
• 5.3 石英玻璃纳米压痕结果分析59-65
• 5.3.1 变载荷的研究59-63
• 5.3.2 加载速度的研究63-64
• 5.3.3 加载次数的研究64-65
• 5.4 本章小结65-66
• 结论66-67
• 参考文献67-72
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况72-73
• 致谢73-74

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本文编号：532499