納米級加工技術論文(2)
納米級加工技術論文
納米級加工技術論文篇二
分子動力學在納米機械加工技術中的應用
【摘要】分子動力學是在進行物質的分子或原子的計算機模擬時最常用的一種方法，是模擬的基本方法。通過分子動力學的模擬研究，可以得到原子在尺度上的材料以及對其演化的可行性分析，這種分析是具有無先例的準確性的，讓性能預測與材料設計成為可能。本文通過分析分子動力學的算法及其模擬原理，研究了分子動力學在納米機械加工中的應用。
【關鍵詞】分子動力學;納米機械加工;應用
分子動力學在英文上被稱為Molecular Dynamics，指的是一種科學的計算方式。這種計算方法主要是用于液體、氣體以及固體的分子運動過程。這種計算是一種研究分子運動過程中產(chǎn)生的現(xiàn)象與其本質之間關系的計算機模擬方式，也可以用于探索分子運動的新規(guī)律，從而應用于機械加工中去。這種計算方式具有對微觀結構與宏觀特性的溝通作用，能夠有效解釋通過實驗觀察與理論分析難以理解的一些現(xiàn)象?，F(xiàn)如今，分子動力學已經(jīng)成功應用與摩擦學、材料學、化學與物理學，在納米機械加工領域也同樣有所作為。
一、分子動力學在納米機械加工中的意義與原理
納米機械加工是在0.1-100納米的空間內(nèi)，對物質的原子與分子進行操作，進行機械材料的加工工作，以此來制造一些具有特定功能的產(chǎn)品，是一種高新制造技術。在納米切削加工過程中，都是在極小的區(qū)域內(nèi)進行的，這個區(qū)域通常只包含了幾個至幾百個原子層。這種切削的過程本身就是一種原子的被動離散現(xiàn)象，其切削的對象應該被看作是分子或是原子的一個集合。這種極小微粒的切削是不適應于傳統(tǒng)技術的，傳統(tǒng)連續(xù)介質力學并不能夠對原子甚至分子進行有效切削，無法有效達到研究的目的。因此必須要采用分子動力學來研究分析納米加工的整個過程。
要想讓納米機械加工技術更具穩(wěn)定性，就要從根本上在觸痛方式中的切削極限上想辦法，力求讓其切削結果最小化。切削實驗一般都是在精密的機床上進行的，對納米的切割主要是通過金剛石車刀來完成的。這種通過分子動力學完成的切削能夠很大程度的減小原有的切削極限。但是這種方式也存在著一定的弊端，在精度上不能夠保證其準確范圍，并且對于切削表面的去除機理之類的問題在院里方面尚未明確。
納米在加工過程中，其狀態(tài)是不可控制的。并且對切削過程的觀察具有一定限制性，因此在實驗過程中分析與計算方面難免會出現(xiàn)一些誤差。但使用分子動力學之后，由于是模擬狀態(tài)下進行的，因此可以有效避免絕大部分的誤差，提高實驗結果的準確性。通過分子動力學來建立的納米加工的原子模型，是由其邊界的恒溫層原子、牛頓原子、邊界原子組成的。刀具在切割時，刀具的粒子與材料的粒子之間會產(chǎn)生相互的作用力，這種作用力可以運用函數(shù)的方法來計算。這些粒子由于都屬于經(jīng)典粒子，所以它們的量子效應可以被忽略不計，因此其運動方程也能夠更容易的被建立。
在求出運動方程的解之后，可以得到刀具粒子對材料粒子產(chǎn)生的位移長度以及讓材料粒子產(chǎn)生運動的速度，然后通過仿真實驗得出粒子運動的軌跡。通過實驗研究，就能夠對材料在機加工方面產(chǎn)生的變化做出符合原理的解釋。依據(jù)仿真研究，還能夠了解被加工材料的一些性質，以及一些加工工藝會對材料表面的影響程度。從仿真研究的結果分析能夠得出結論，并將結論用來指導納米的加工工作，讓納米技術能夠更加穩(wěn)定的應用于精度加工中。
由此可見，納米機械加工技術的根本理論基礎就是分子動力學，這種加工技術的應用能夠為機械超精密加工工藝帶來一場革命，并且能夠極大程度的推動納米加些加工技術的研究成果。
二、分子動力學在納米加工技術中的原理與應用方法
(一)分子動力學模擬的理論過程。在物理上來看，研究材料可以被看作是由無數(shù)個分子組成的一個系統(tǒng)，在這個系統(tǒng)中，各粒子能夠通過函數(shù)方式求導，得出其運動軌跡。在計算方法上，一般是采用力學勢能函數(shù)來得出結論。這種計算方式能夠在不計算量子效應的情況下，運用牛頓力學來建立一個數(shù)學運動模型，通過對模型的分析得出粒子的運動軌跡，最后通過物理統(tǒng)計學原理來對研究材料的宏觀特性進行研究，也就是研究相應系統(tǒng)的特性。
(二)計算分子間的作用力。在計算過程中，分子間的作用力一直是讓研究者頭疼的問題。長久以來，研究者們運用大量方式來對其作用力的計算進行研究。運用量子力學的相關知識，能夠了解任何原子在架構模型上的總能量，從而求出該結構模型的體系方程。在一些相對復雜的系統(tǒng)計算上，這樣的計算方式幾乎那不可能完成。于是研究者們制定了一套較為簡便的方案，從而提出了多體勢與對偶式的三種典型的勢函數(shù)形式。
(三)周期邊界條件。分子動力學在模擬中會有一定的偏差，這種偏差是由模擬系統(tǒng)中的粒子數(shù)比實際中的粒子數(shù)數(shù)量小的原因引起的。這種在數(shù)量上的粒子差異會導致尺寸效應的產(chǎn)生，故周期邊界條件必須要應用到分子動力學中。
周期邊界條件是將在一個特定范圍內(nèi)的所有粒子放在一定的容積之中，這個容積就是原胞。在元寶的周圍，會存在著許多“鏡像細胞”，這些鏡像細胞實際上就是原胞的復制品，并且無論是在細胞尺寸上還是細胞形狀上，鏡像細胞都與原胞完全相似。并且，在鏡像細胞中富哦包含的所有粒子就是原細胞里面包含粒子的鏡像。這些鏡像的存在能夠幫助研究者計算原胞中粒子的運動，只需要計算原胞周圍的邊界條件即可，很大程度上減少了工作量。
三、分子動力學在納米機械加工技術總的進展
美國與日本學者在常溫下運用分子動力學對單晶體進行垂直切削，使用的是金剛石車刀。在模擬過程中，建立的是二維原子模型或是三維原子模型，模型中大約包含了5000-8000個原子。模擬是金剛石車刀的刀刃的圓弧半徑是1-5毫米，切削速度在每秒2米或是每秒200米，從而得到在切削過程中，刀具分子與材料分子在位置與運動速度上的變化，從而更好地研究切削現(xiàn)象。
(一)切削力在切削中的影響。通過勢能函數(shù)中參數(shù)的改變，分子動力學能夠通過模擬研究切削力的改變對切削效果的作用。研究表明，材料與刀具分子之間的結合力下降或是斥力的增加都能夠讓表面的粗糙程度加劇。
(二)切削溫度在切削中的影響。分子動力學要想模擬得更加精確，就需要充分考慮到切削時產(chǎn)生的溫度影響。在仿真模擬實驗中，分子的勢能向動能的轉變不是由人工來進行控制的，而是在達到已訂購條件后，分子自行轉變的。由于位錯運動，切削熱表現(xiàn)為晶格振動的形式，這種現(xiàn)象在理論方面是能夠很好的被模擬的。金屬的導熱率是由電子的運動強度決定的，所以切削溫度在切削中的影響研究可以通過對速度標度的方式來模擬。研究表明，若是提高切削溫度，能夠有效減少切屑的產(chǎn)生，增加材料分子的測流，讓材料表面的粗糙度提升。
結語
隨著科技與社會對機械加工標準的日趨嚴格，納米技術已經(jīng)廣泛應用于各機械加工過程中。在就目前我國機械加工發(fā)展來看。分子動力學的應用是必然趨勢。在今后的研究上，還應繼續(xù)改進計算方式、深入研究納米加工機理，并在繼續(xù)拓展分子動力學的應用范圍的同時讓納米機械加工技術更進一步發(fā)展。
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