关键词:
石英晶体/玻璃
分子动力学
纳米技术
微观响应机理
摘要:
随着纳米技术的不断发展,石英晶体/玻璃由于具有独特的性能受到人们的广大青睐,对其加工性能的要求也越来越高。作为典型的硬脆材料,在加工过程中石英晶体/玻璃很容易产生各种缺陷,从而影响了机械加工性能,严重限制了石英材料的应用与发展。石英晶体/玻璃的纳米加工主要有磨削、研磨和抛光等方法,但是很难形成纳米级的光学表面的加工效果。在不断提高的加工精度同时,加工尺度不断地减小并接近原子级别,材料的加工性能也会产生极大变化。因此要想元器件的加工质量得到进一步提高,材料纳米级加工尤为重要,但是由于实验条件和实验检测手段的局限性,所以目前光学石英晶体/玻璃的纳米级加工性能有着很大的不足。因此,利用分子动力学仿真的方法从原子层面上对石英晶体/玻璃的微观响应机理研究,对提高石英晶体/玻璃纳米级加工性能的研究具有重大的意义,并对其他的硬脆材料的加工具有很好的借鉴意义。
通过Materials Studio软件建立石英晶体模型,然后对其进行先升温后降温的处理方法得到石英玻璃模型。通过对密度、键角以及硬度等参数的分析验证模型的可行性。随后利用LAMMPS软件对石英晶体和石英玻璃进行单轴拉伸仿真,通过对应力应变曲线、原子势能以及断口微观结构分析,初步了解了两种材料内部结构的差别以及基本的力学性能。
对石英晶体和石英玻璃进行了纳米压痕仿真,研究石英晶体和石英玻璃的在压痕过程中的微观变形情况。两个材料均存在弹性变形和塑性变形且石英晶体弹性回复比石英玻璃好。石英玻璃压痕下方影响区域比石英晶体压痕影响区域深,随着压痕深度的增加,石英晶体原子剪切应变出现明显分层现象而石英玻璃原子剪切应变分布均匀。在压痕过程中,两者均存在原子键的断裂和重组,石英晶体发生非晶化和致密化现象而石英玻璃以致密化为主。
石英晶体和石英玻璃进行了纳米划痕仿真,基于两种材料刻划过程中在微观上表现的异同进行归纳。在刻划过程中,石英晶体的合力大于石英玻璃的合力。刻划过程中,由于探针的挤压和剪切作用,一部分原子向前堆积形成切屑,一部分原子在材料表面存在大量过配位的硅原子密集堆积形成致密层。同时石英玻璃先有切屑产生,故石英玻璃脆性大于石英晶体。整个过程中,原子静水压力和Mises等效应力对材料表面结构的重构起着非常重要的作用,为材料的塑性变形提供了条件。通过对原子剪切应变分析,两个材料在探针作用区域的原子剪切应变较大,且石英晶体原子影响区域比石英玻璃浅。当探针划过之后,石英晶体已加工表面原子的剪切应变会大幅度降低,而石英玻璃已加工表面原子剪切应变变化不明显。