晶體材料納米切削加工機理的研究.pdf

1、微納米器件加工是未來制造業(yè)發(fā)展的一個主要方向。近年來,隨著納米光電子設備、航空航天技術、傳感技術的發(fā)展,對加工微納器件提出了更高的要求。通過縮小產品尺寸,微納器件能夠有效的降低成本,降低環(huán)境污染,減小功耗,延長產品壽命。半導體工業(yè)的每一次變革,均要求減小器件尺寸,提高微納器件集成度。納米晶體作為制造微納器件的主體,與粗晶不同,具有晶粒尺寸較小、大比例晶界和缺陷結構極少的特征。因此,理解納米晶體的加工機理,是當前微納制造業(yè)的一項重要的仍待

2、解決的課題。采用實驗的方法,對加工工件制備、實驗條件、研究成本的要求較高。本文采用分子動力學方法和蒙特卡羅方法等仿真理論,基于切片法采集的實驗數據建立貼近實際的納米晶體微觀結構仿真模型,研究納米晶體材料加工及其變形機理。這項研究對于理解納米晶體的超精密加工、納米加工及其力學行為等方面具有重要的理論價值,對于微納器件加工具有現實指導意義,為納米晶體加工制造技術提供必要的理論支撐,能夠有效的促進納米加工制造業(yè)的發(fā)展。
　　本文基于多晶

3、材料微觀結構數據,采用 Voronoi方法結合蒙特卡羅法建立多晶材料分子動力學仿真模型。首先分析了大規(guī)模并行分子動力學方法、蒙特卡羅法的基礎理論和納米多晶材料的微觀結構,基于并行算法構建大規(guī)模計算平臺,實現千萬級原子的并行計算。采用多晶銅研磨實驗,理解多晶材料的微觀結構,依據連續(xù)切片法采集的多晶材料微觀結構數據,建立多晶材料仿真模型,進而區(qū)分多晶材料的各個微觀結構,通過建立貼近實際的多晶材料結構仿真模型,為研究多晶材料納米加工機理奠定基

4、礎。
　　基于納米摩擦學、晶體彈塑性變形、熱力學和納米力學等理論基礎,研究單晶材料(單晶硅、單晶銅)納米加工仿真,分析單晶材料去除、變形機理。研究了單晶材料納米加工過程中系統(tǒng)的溫度分布、應力分布和熱力學耦合效應,及其對納米加工中刀具磨損和已加工表面質量的影響,并從切削速度、切削刃鈍圓半徑的角度進行對比分析。研究了單晶銅、單晶硅納米加工過程中工件內部的各種缺陷結構,在此基礎上分析了外部加工環(huán)境水分子對材料去除及其熱力學效應的影響。<

5、br>　　在基于實驗數據建立的多晶銅分子動力學仿真模型的基礎上,通過研究多晶銅塊體材料、具有不同規(guī)則外形的多晶銅納米線拉伸、壓縮試驗仿真,分析多晶材料的變形機理,揭示多晶材料的各個微觀結構,晶界、孿晶密度和晶粒尺寸對多晶材料力學性能的影響,并在分析過程中與單晶材料進行對比。對建立的多晶材料仿真模型進行測試并研究多晶材料的變形機理及其力學行為。
　　提出了基于多晶材料納米加工中內應力和缺陷結構的演化分析多晶材料加工機理。內應力在多晶

6、材料裂紋、疲勞斷裂、腐蝕、變形機理等方面起到重要作用,依據內應力的擴散自平衡距離將內應力分為多晶宏觀內應力、晶粒間的內應力、特殊結構的內應力和原子應力,分析了各種內應力的分布規(guī)律,并研究了晶粒尺寸、系統(tǒng)溫度、晶粒形狀對多晶材料內應力分布的影響。融合單晶材料納米加工方法,建立多晶銅納米加工仿真模型,通過多晶銅納米壓痕實驗和分子動力學方法模擬多晶銅納米壓痕、納米切削的仿真,進而研究多晶材料納米加工機理。分析了納米加工過程中多晶銅工件內部缺陷