介质条件下纳米加工过程对微纳构件力学特性影响机理研究

本项目基于图形处理器(GPU)并行计算技术，采用分子动力学和蒙特卡罗相结合方法，建立介质条件下多工具、多工艺及复杂规划路径的微纳构件表面加工模型及其加工后力学特性仿真模型，拟搭建一种低成本、高精度、高效率、大规模的集加工和力学特性分析一体化原子模拟平台。首先，通过模拟获得介质环境下纳米加工过程中温度场、应力场分布，动态辨识材料晶格原子结构排布，分析其内部组织结构变化及缺陷原子演化行为，探究刀具磨损机理和材料的去除机制。在此基础上，研究介质环境及耦合物理场效应下加工后微纳结构的动静态特性。最后，通过AFM加工实验和微纳构件拉伸实验，融合微纳构件纳米加工及其力学特性仿真分析，修正、完善理论模型，揭示介质条件下纳米加工机理及加工工艺对微纳构件的动静态特性影响。同时获得微纳构件的形变和质变规律。本项目研究将对丰富和发展微纳器件设计理论具有重要意义，并为提高微纳机电系统设计、仿真和优化奠定理论基础。

搭建基于图形处理器(GPU)并行计算技术的大规模原子模拟平台，采用分子动力学和蒙特卡罗方法相结合，建立介质条件下微纳构件纳米加工仿真模型，开展了纳米加工机理及材料力学特性表征基础方面研究，分析了多工具、多次纳米加工过程及其对微纳构件组织结构的影响；并研究了纳米切削加工过程中切屑形成区材料组织结构演变，已加工材料表面质量时变特性及刀具的磨损机制。此外，介质对纳米切削过程影响也被研究。结果表明，在纳米加工刀尖附近的“非晶态”原子是由缺陷FCC结构、类二十面体结构、密排结构等结构组成，改变了以往人们对纳米加工刀具附近的堆垛原子是“无序”非晶态的认识。发现在纳米加工面心塑性晶体材料时，其不同滑移面上的位错扩展、位错缠结会形成Lomer-Cottrell位错锁。介质的润滑和降温作用导致纳米切削过程中切削力及切屑显著变小。此外，经表面时效过程后，塑性微纳构件已加工表面原子能态由高转低，进而实现缺陷“自修复”；纳米刻划后的单晶铜材料表面粗糙度明显降低，而脆性材料的单晶硅表面粗糙度未见明显变化。研究发现介质使得加工系统具有较好的热平衡，降低了系统温度，减少了相变原子数目。获得了金刚石刀具不同前刀面和后到面组合的石墨化磨损难易程度。发表论文20篇，其中SCI论文5篇，EI论文15篇，合著英文著作1部，已申请专利10余项，获部级技术发明二等奖1 项。培养及协助培养研究生8人，已毕业4人。