纳米级加工技术论文(2)
纳米级加工技术论文
纳米级加工技术论文篇二
分子动力学在纳米机械加工技术中的应用
【摘要】分子动力学是在进行物质的分子或原子的计算机模拟时最常用的一种方法，是模拟的基本方法。通过分子动力学的模拟研究，可以得到原子在尺度上的材料以及对其演化的可行性分析，这种分析是具有无先例的准确性的，让性能预测与材料设计成为可能。本文通过分析分子动力学的算法及其模拟原理，研究了分子动力学在纳米机械加工中的应用。
【关键词】分子动力学;纳米机械加工;应用
分子动力学在英文上被称为Molecular Dynamics，指的是一种科学的计算方式。这种计算方法主要是用于液体、气体以及固体的分子运动过程。这种计算是一种研究分子运动过程中产生的现象与其本质之间关系的计算机模拟方式，也可以用于探索分子运动的新规律，从而应用于机械加工中去。这种计算方式具有对微观结构与宏观特性的沟通作用，能够有效解释通过实验观察与理论分析难以理解的一些现象。现如今，分子动力学已经成功应用与摩擦学、材料学、化学与物理学，在纳米机械加工领域也同样有所作为。
一、分子动力学在纳米机械加工中的意义与原理
纳米机械加工是在0.1-100纳米的空间内，对物质的原子与分子进行操作，进行机械材料的加工工作，以此来制造一些具有特定功能的产品，是一种高新制造技术。在纳米切削加工过程中，都是在极小的区域内进行的，这个区域通常只包含了几个至几百个原子层。这种切削的过程本身就是一种原子的被动离散现象，其切削的对象应该被看作是分子或是原子的一个集合。这种极小微粒的切削是不适应于传统技术的，传统连续介质力学并不能够对原子甚至分子进行有效切削，无法有效达到研究的目的。因此必须要采用分子动力学来研究分析纳米加工的整个过程。
要想让纳米机械加工技术更具稳定性，就要从根本上在触痛方式中的切削极限上想办法，力求让其切削结果最小化。切削实验一般都是在精密的机床上进行的，对纳米的切割主要是通过金刚石车刀来完成的。这种通过分子动力学完成的切削能够很大程度的减小原有的切削极限。但是这种方式也存在着一定的弊端，在精度上不能够保证其准确范围，并且对于切削表面的去除机理之类的问题在院里方面尚未明确。
纳米在加工过程中，其状态是不可控制的。并且对切削过程的观察具有一定限制性，因此在实验过程中分析与计算方面难免会出现一些误差。但使用分子动力学之后，由于是模拟状态下进行的，因此可以有效避免绝大部分的误差，提高实验结果的准确性。通过分子动力学来建立的纳米加工的原子模型，是由其边界的恒温层原子、牛顿原子、边界原子组成的。刀具在切割时，刀具的粒子与材料的粒子之间会产生相互的作用力，这种作用力可以运用函数的方法来计算。这些粒子由于都属于经典粒子，所以它们的量子效应可以被忽略不计，因此其运动方程也能够更容易的被建立。
在求出运动方程的解之后，可以得到刀具粒子对材料粒子产生的位移长度以及让材料粒子产生运动的速度，然后通过仿真实验得出粒子运动的轨迹。通过实验研究，就能够对材料在机加工方面产生的变化做出符合原理的解释。依据仿真研究，还能够了解被加工材料的一些性质，以及一些加工工艺会对材料表面的影响程度。从仿真研究的结果分析能够得出结论，并将结论用来指导纳米的加工工作，让纳米技术能够更加稳定的应用于精度加工中。
由此可见，纳米机械加工技术的根本理论基础就是分子动力学，这种加工技术的应用能够为机械超精密加工工艺带来一场革命，并且能够极大程度的推动纳米加些加工技术的研究成果。
二、分子动力学在纳米加工技术中的原理与应用方法
(一)分子动力学模拟的理论过程。在物理上来看，研究材料可以被看作是由无数个分子组成的一个系统，在这个系统中，各粒子能够通过函数方式求导，得出其运动轨迹。在计算方法上，一般是采用力学势能函数来得出结论。这种计算方式能够在不计算量子效应的情况下，运用牛顿力学来建立一个数学运动模型，通过对模型的分析得出粒子的运动轨迹，最后通过物理统计学原理来对研究材料的宏观特性进行研究，也就是研究相应系统的特性。
(二)计算分子间的作用力。在计算过程中，分子间的作用力一直是让研究者头疼的问题。长久以来，研究者们运用大量方式来对其作用力的计算进行研究。运用量子力学的相关知识，能够了解任何原子在架构模型上的总能量，从而求出该结构模型的体系方程。在一些相对复杂的系统计算上，这样的计算方式几乎那不可能完成。于是研究者们制定了一套较为简便的方案，从而提出了多体势与对偶式的三种典型的势函数形式。
(三)周期边界条件。分子动力学在模拟中会有一定的偏差，这种偏差是由模拟系统中的粒子数比实际中的粒子数数量小的原因引起的。这种在数量上的粒子差异会导致尺寸效应的产生，故周期边界条件必须要应用到分子动力学中。
周期边界条件是将在一个特定范围内的所有粒子放在一定的容积之中，这个容积就是原胞。在元宝的周围，会存在着许多“镜像细胞”，这些镜像细胞实际上就是原胞的复制品，并且无论是在细胞尺寸上还是细胞形状上，镜像细胞都与原胞完全相似。并且，在镜像细胞中富哦包含的所有粒子就是原细胞里面包含粒子的镜像。这些镜像的存在能够帮助研究者计算原胞中粒子的运动，只需要计算原胞周围的边界条件即可，很大程度上减少了工作量。
三、分子动力学在纳米机械加工技术总的进展
美国与日本学者在常温下运用分子动力学对单晶体进行垂直切削，使用的是金刚石车刀。在模拟过程中，建立的是二维原子模型或是三维原子模型，模型中大约包含了5000-8000个原子。模拟是金刚石车刀的刀刃的圆弧半径是1-5毫米，切削速度在每秒2米或是每秒200米，从而得到在切削过程中，刀具分子与材料分子在位置与运动速度上的变化，从而更好地研究切削现象。
(一)切削力在切削中的影响。通过势能函数中参数的改变，分子动力学能够通过模拟研究切削力的改变对切削效果的作用。研究表明，材料与刀具分子之间的结合力下降或是斥力的增加都能够让表面的粗糙程度加剧。
(二)切削温度在切削中的影响。分子动力学要想模拟得更加精确，就需要充分考虑到切削时产生的温度影响。在仿真模拟实验中，分子的势能向动能的转变不是由人工来进行控制的，而是在达到已订购条件后，分子自行转变的。由于位错运动，切削热表现为晶格振动的形式，这种现象在理论方面是能够很好的被模拟的。金属的导热率是由电子的运动强度决定的，所以切削温度在切削中的影响研究可以通过对速度标度的方式来模拟。研究表明，若是提高切削温度，能够有效减少切屑的产生，增加材料分子的测流，让材料表面的粗糙度提升。
结语
随着科技与社会对机械加工标准的日趋严格，纳米技术已经广泛应用于各机械加工过程中。在就目前我国机械加工发展来看。分子动力学的应用是必然趋势。在今后的研究上，还应继续改进计算方式、深入研究纳米加工机理，并在继续拓展分子动力学的应用范围的同时让纳米机械加工技术更进一步发展。
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