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纳米加工晶体铜中亚表层缺陷演变及力学性能研究

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纳米加工晶体铜中亚表层缺陷演变及力学性能研究

作者：朱秀福哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

纳米技术在科技日新月异的现代社会已不再是遥远生疏的词汇,基于纳米加工技术的高精度、高质量的工件产品被不断运用在科学研究、国防科技以至高端消费等方方面面。而对纳米加工机理的认识则很大程度上制约了纳米技术的发展。由于纳米... 详细信息

纳米技术在科技日新月异的现代社会已不再是遥远生疏的词汇,基于纳米加工技术的高精度、高质量的工件产品被不断运用在科学研究、国防科技以至高端消费等方方面面。而对纳米加工机理的认识则很大程度上制约了纳米技术的发展。由于纳米加工实验要求以及成本的限制,分子动力学仿真已成为纳米加工领域实用且重要的研究工具。另外,纳米加工领域存在一系列需克服的问题,其中缺乏对工件亚表层缺陷演变规律的理解是制约加工工件质量的重要原因。针对上述问题,本文将晶体铜作为研究对象,包括单晶铜与多晶铜,进行纳米切削以及纳米压痕的分子动力学仿真与实验,分析了单晶铜和多晶铜工件在纳米切削和纳米压痕过程中工件亚表层晶体结构的演变规律,并通过纳米压痕仿真与实验研究了不同切削参数条件下的工件表面力学性能。基于单晶铜纳米切削分子动力学仿真,利用CNA共近邻分析、DXA位错提取等分析方法,分别解构了四面体堆垛层错、V形位错、球形团簇等不同种类亚表层缺陷在工件切削时的演变过程,发现了亚表层缺陷的结构特征以及形成规律;通过改变切削仿真采用刀具的几何参数,包括前角、后角以及刃圆半径,分析刀具参数引起的亚表层结构特征的变化,总结了其对切削过程中位错演变的影响规律。进行多晶铜工件的纳米切削分子动力学仿真,通过切削力、应力分布等方面,研究了切削中多晶铜工件亚表层晶体结构以及位错表现出的规律,通过切削力和工件位错密度表现出的波动规律,发现了多晶铜晶界对位错滑移的阻碍作用以及与位错的转化过程,并发现了多晶铜晶界产生的应力屏蔽现象;改变多晶铜纳米切削仿真时的切削深度,分析切削深度对工件晶体结构以及位错特征的影响,发现了切削深度与工件内部位错密度的线性关系。分别开展单晶铜与多晶铜的纳米压痕分子动力学仿真以及加工实验,对未加工以及经不同切削参数进行纳米切削后的晶体铜工件进行纳米压痕。一方面利用纳米压痕仿真分析了单晶铜的纳米压痕过程,研究了亚表层缺陷对工件压痕再生成位错的影响,并发现亚表层缺陷将造成工件“加工硬化”的现象;同时通过与纳米压痕实验进行对比,发现切削深度的变化对单晶铜工件表面力学性能的影响。另一方面,通过加工与实验比较了不同切削参数下多晶铜工件表面力学性能的差异,发现切削深度的增大在一定范围内使得硬化效果更明显。将纳米压痕仿真结果与实验结果进行对比,发现其趋势的相同特征,从而定性地证明结论的正确性。

关键词：纳米加工亚表层缺陷材料力学性能分子动力学仿真

晶体铜纳米切削加工缺陷演化机制及工艺优化研究

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晶体铜纳米切削加工缺陷演化机制及工艺优化研究

作者：邱蓬勃江南大学

学位级别：硕士

随着现代科学技术的不断发展,计算机芯片、医疗纳米机器人、国防以及航空航天等领域对工件产品尺寸精度以及表面形貌精度提出了更高的要求。然而,纳米加工质量的提升受到材料内部亚表层晶格结构缺陷演变机理的制约,且材料表面成形机理... 详细信息

随着现代科学技术的不断发展,计算机芯片、医疗纳米机器人、国防以及航空航天等领域对工件产品尺寸精度以及表面形貌精度提出了更高的要求。然而,纳米加工质量的提升受到材料内部亚表层晶格结构缺陷演变机理的制约,且材料表面成形机理以及亚表层缺陷演化机制尚需深入研究。经过大量仿真与实验结果的验证,分子动力学方法已经成为了研究纳米加工过程的有效工具,进而被国内外学者广泛应用。本文利用分子动力学方法,建立晶体铜纳米加工仿真模型,进行纳米切削以及纳米压痕的分子动力学仿真,探究晶体铜在纳米加工过程中亚表层缺陷演化规律以及加工表面质量变化情况。通过纳米加工实验定性验证仿真结果,进而得到单晶铜纳米加工优化工艺参数区间,提高晶体铜纳米加工精度及表面质量。本文主要内容如下:首先,基于单晶铜纳米切削分子动力学仿真,阐述单晶铜纳米切削亚表层位错缺陷损伤机理。综合利用CNA共近邻分析和DXA位错提取方法,分析单晶铜内部位错形核、扩散和湮灭过程,阐述单晶铜纳米切削机理。明晰单晶铜亚表层中四面体堆垛层错、V形位错、球形团簇以及位错环缺陷结构随刀具切削的演变过程。总结加工参数对单晶铜纳米切削表面质量以及内部位错缺陷演化的影响规律,结果表明切削速度为200 m/s、切削深度为3 nm时单晶铜工件纳米切削表面质量较高,且内部位错缺陷结构规模较小。其次,基于孪晶铜的纳米切削分子动力学仿真,开展孪晶铜纳米切削机理研究。重点分析晶格节点处刀具的切削作用,探究刀具切削过程中晶粒内部缺陷结构演化规律,明确晶界对刀具切削以及位错扩展的阻碍作用。通过分析切削过程中晶界与位错的相互转化过程,明晰孪晶铜内部的位错-晶界交互作用,揭示“类晶界”结构的形成过程。分析孪晶铜纳米切削过程中的von Mises等效应力云图,阐述应力诱导位错缺陷结构扩散和晶界的应力屏蔽作用,发现刀具切削区域以及晶界处等效应力值较高。改变切削仿真参数,得出切削速度越大,切削深度越小时,孪晶铜试件表面质量较高的结论。最后,开展单晶铜纳米压痕仿真以及纳米加工实验。结合压头加载-卸载过程中载荷变化情况与单晶铜试件内部位错扩展及湮灭情况,揭示单晶铜纳米压痕机理。分别开展单晶铜在真空介质以及水介质下的纳米压痕分子动力学仿真,通过对温度场以及位错密度等方面的分析,得出水介质能够大幅降低纳米压痕温度场的结论。对单晶铜试件进行纳米压痕以及纳米刻划实验,探究实际工况下的加工结果,实验结果表明刻划速度为100μm/s,刻划载荷为30 m N时的加工质量更高。本文对深入理解晶体铜纳米加工机理以及提高晶体铜纳米加工精度及表面质量有着一定的意义,为提高纳米加工质量提供理论数据支撑。

关键词：纳米加工亚表层缺陷材料力学性能分子动力学仿真纳米加工实验

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熔石英元件HF刻蚀的实验研究

强激光与粒子束 2017年第11期29卷 4-10页

作者：程健王景贺张培月张磊哈尔滨工业大学机电工程学院哈尔滨150001

为深入了解熔石英元件化学刻蚀过程,研究了HF刻蚀反应机理、HF刻蚀工艺参数以及刻蚀对表面质量的影响规律。通过控制变量法,获得刻蚀速率随HF浓度、刻蚀温度以及NH4F浓度的变化规律。对刻蚀不同深度后的元件表面粗糙度、形貌、杂质含量... 详细信息

为深入了解熔石英元件化学刻蚀过程,研究了HF刻蚀反应机理、HF刻蚀工艺参数以及刻蚀对表面质量的影响规律。通过控制变量法,获得刻蚀速率随HF浓度、刻蚀温度以及NH4F浓度的变化规律。对刻蚀不同深度后的元件表面粗糙度、形貌、杂质含量以及激光损伤阈值进行了检测,实验结果表明:刻蚀速率受多种因素共同影响,其中HF浓度的促进作用最为显著;刻蚀后的熔石英表面形貌复杂,有横向、纵向、拖尾等形式的划痕,以及坑点、杂质等缺陷,其中横向划痕和纵向划痕占据了缺陷部分的主体,主要杂质铈元素随刻蚀时间的增长不断减少;激光损伤阈值测量实验表明,通过HF刻蚀将元件损伤阈值提高了59.6%。

关键词：光学制造熔石英化学刻蚀亚表层缺陷激光诱导损伤

加工参数对单晶γ-TiAl表面质量和亚表层损伤的影响机理

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金刚石与磨料磨具工程 2022年第4期42卷 457-466页

作者：姜军强梁桂强孙立辉董中奇西安科技大学机械工程学院西安710054 大理大学工程学院云南大理671000 北京领航科工教育科技有限公司北京100084 河北经贸大学信息技术学院石家庄050000 河北工业职业技术大学材料工程系石家庄050000

为研究加工工艺参数对纳米切削单晶γ-TiAl合金表面质量和亚表层损伤的影响机理,以分子动力学(molecular dynamics,MD)为基础理论,采用非刚性金刚石刀具建立三维纳米切削模型,通过研究切屑体积、表面粗糙度、静水压分布、位错密度、位... 详细信息

为研究加工工艺参数对纳米切削单晶γ-TiAl合金表面质量和亚表层损伤的影响机理,以分子动力学(molecular dynamics,MD)为基础理论,采用非刚性金刚石刀具建立三维纳米切削模型,通过研究切屑体积、表面粗糙度、静水压分布、位错密度、位错演化、相变原子数,详细分析不同切削速度和切削深度对表面和亚表面结构的影响。结果发现:随着切削速度的增加,切屑体积增大,加工效率提升,且存在切削速度为100 m/s的临界值。表面粗糙度先减小后增大,同样存在切削速度为100 m/s的临界值。位错的复杂程度降低,位错密度减小,塑性变形程度增加;随着切削深度的增加,切屑体积增大,加工效率提升,表面粗糙度、位错密度以及塑性变形程度显著增加。在切削过程中,发现位错主要分布在刀具前方和下方,在刀具前方45°方向存在V形位错和梯杆位错以及位错间的相互反应,且切削完成后残留下空位和原子团簇等稳定缺陷。

关键词： γ-TiAl 纳米切削分子动力学表面粗糙度亚表层缺陷

基于小波变换的红外热成像图像处理的无损检测技术

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物联网技术 2020年第3期10卷 37-39页

作者：梁栋顾杰宁张陈王胜江苏理工学院机械工程学院江苏常州213001

为提高红外热图像技术在无损检测领域的精度,提出运用电磁激励加热待检测物体,研究对亚表层缺陷的检测。首先采集数字图像信号,利用傅里叶变换去除图像中的噪声,并用图像增强算法增加背景与特征间的对比度,再利用基于小波变换的边缘算... 详细信息

为提高红外热图像技术在无损检测领域的精度,提出运用电磁激励加热待检测物体,研究对亚表层缺陷的检测。首先采集数字图像信号,利用傅里叶变换去除图像中的噪声,并用图像增强算法增加背景与特征间的对比度,再利用基于小波变换的边缘算法提取特征边缘做定量分析,最后通过5组不同的缺陷层样本作实验对比,结果表明基于小波变换边缘提取算子能显著提高亚表面缺陷层的检测精度。

关键词：电磁激励亚表层缺陷图像处理无损检测小波变换红外热成像

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抛光参量对抛光光学元件亚表层的影响

航空精密制造技术 2008年第1期44卷 25-27页

作者：王桃芬张循利时宝国湖南科技大学物理学院湘潭411201 滨州学院物理系滨州256600

研究了抛光粉的种类、抛光速度的大小以及抛光玻璃的性质等抛光参量对光学元件亚表层特征的影响,并结合抛光机理进行了分析。

关键词：抛光亚表层缺陷抛光粉熔石英抛光速度