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1、 博士学位论文博士学位论文 晶体材料纳米切削加工机理的研究 RESEARCH ON NANOCUTTING MECHANISM OF CRYSTALLINE MATERIALS 哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学 2011 年年 12 月月 国内图书分类号：TG501 学校代码：10213 国际图书分类号：621.94 密级：公开 工学博士学位论文工学博士学位论文 晶体材料纳米切削加工机理的研究 博 士 研 究 生：郭永博 导 师：梁迎春教授 申请学位：工学博士 学科：机械制造及其自动化 所 在 单 位：机电工程学院 答 辩 日 期：2011 年 12 月 授予学位单位：哈尔滨工业大学 Classi
2、fied Index: TG501.1 U.D.C: 621.94 Dissertation for the Doctoral Degree in Engineering RESEARCH ON NANOCUTTING MECHANISM OF CRYSTALLINE MATERIALS Candidate： Guo Yongbo Supervisor： Prof. Liang Yingchun Academic Degree Applied for： Doctor of Engineering Speciality： Mechanical Manufacturing and Automati
3、on Affiliation： School of Mechatronics EngineeringDate of Defence： December, 2011 Degree-Conferring-Institution：Harbin Institute of Technology 摘 要 摘摘 要要 微纳米器件加工是未来制造业发展的一个主要方向。近年来，随着纳米光电子设备、航空航天技术、传感技术的发展，对加工微纳器件提出了更高的要求。通过缩小产品尺寸，微纳器件能够有效的降低成本，降低环境污染，减小功耗，延长产品寿命。半导体工业的每一次变革，均要求减小器件尺寸，提高微纳器件集成度。纳米晶体作
4、为制造微纳器件的主体，与粗晶不同，具有晶粒尺寸较小、大比例晶界和缺陷结构极少的特征。因此，理解纳米晶体的加工机理，是当前微纳制造业的一项重要的仍待解决的课题。采用实验的方法，对加工工件制备、实验条件、研究成本的要求较高。本文采用分子动力学方法和蒙特卡罗方法等仿真理论，基于切片法采集的实验数据建立贴近实际的纳米晶体微观结构仿真模型，研究纳米晶体材料加工及其变形机理。这项研究对于理解纳米晶体的超精密加工、纳米加工及其力学行为等方面具有重要的理论价值，对于微纳器件加工具有现实指导意义，为纳米晶体加工制造技术提供必要的理论支撑，能够有效的促进纳米加工制造业的发展。 本文基于多晶材料微观结构数据，采用
5、Voronoi 方法结合蒙特卡罗法建立多晶材料分子动力学仿真模型。首先分析了大规模并行分子动力学方法、蒙特卡罗法的基础理论和纳米多晶材料的微观结构，基于并行算法构建大规模计算平台，实现千万级原子的并行计算。采用多晶铜研磨实验，理解多晶材料的微观结构，依据连续切片法采集的多晶材料微观结构数据，建立多晶材料仿真模型，进而区分多晶材料的各个微观结构，通过建立贴近实际的多晶材料结构仿真模型，为研究多晶材料纳米加工机理奠定基础。 基于纳米摩擦学、晶体弹塑性变形、热力学和纳米力学等理论基础，研究单晶材料(单晶硅、单晶铜)纳米加工仿真，分析单晶材料去除、变形机理。研究了单晶材料纳米加工过程中系统的温度分布、
6、应力分布和热力学耦合效应，及其对纳米加工中刀具磨损和已加工表面质量的影响，并从切削速度、切削刃钝圆半径的角度进行对比分析。研究了单晶铜、单晶硅纳米加工过程中工件内部的各种缺陷结构，在此基础上分析了外部加工环境水分子对材料去除及其热力学效应的影响。 在基于实验数据建立的多晶铜分子动力学仿真模型的基础上，通过研究多晶铜块体材料、具有不同规则外形的多晶铜纳米线拉伸、压缩试验仿真，分析多晶材料的变形机理，揭示多晶材料的各个微观结构，晶界、孪晶密度和晶粒- I -哈尔滨工业大学工学博士学位论文 - II -尺寸对多晶材料力学性能的影响，并在分析过程中与单晶材料进行对比。对建立的多晶材料仿真模型进行测试并
7、研究多晶材料的变形机理及其力学行为。 提出了基于多晶材料纳米加工中内应力和缺陷结构的演化分析多晶材料加工机理。内应力在多晶材料裂纹、疲劳断裂、腐蚀、变形机理等方面起到重要作用，依据内应力的扩散自平衡距离将内应力分为多晶宏观内应力、晶粒间的内应力、特殊结构的内应力和原子应力，分析了各种内应力的分布规律，并研究了晶粒尺寸、系统温度、晶粒形状对多晶材料内应力分布的影响。融合单晶材料纳米加工方法，建立多晶铜纳米加工仿真模型，通过多晶铜纳米压痕实验和分子动力学方法模拟多晶铜纳米压痕、纳米切削的仿真，进而研究多晶材料纳米加工机理。分析了纳米加工过程中多晶铜工件内部缺陷结构和内应力分布的演化过程。通过本文的
8、研究揭示纳米多晶金属材料加工及其变形机理，为后续研究纳米加工多晶合金材料及其加工参数的影响等方面提供理论依据。 关键词：纳米加工；多晶材料；缺陷；纳米压痕；纳米切削；分子动力学；蒙特卡罗 Abstract Abstract Micro- and nano-device machining technology is one of the main manufacturing directions in the future. In recent years, as the development of nano-optoelectronic devices, aerospace technol
9、ogy, sensor technology, which requires a higher demand on the micro- and nano-device. Through reducing product size, micro- and nano-devices can not only reduce cost effectively, but also reduce environmental pollution, power consumption and extend product life. At each revolution of semiconductor,
10、reducing the size of device is required to improve the integration of micro- and nano-device. Nanocrystals with small grain size, large proportion of grain boundary and little defect structures are composed of the majority of micro- and nano-deveces. Understanding the manufacturing and deformation m
11、echanism of nanocrystals could effectively promote the development of nano-manufacturing, which is still an important issue need to be resolved. It is hard to study the deformation mechanism of nanocrystals by experiment, which requires much higher demand on the workpiece, experimental conditions. I
12、n the current study, using molecular dynamics simulation and inverse Monte Carlo method, based on experimental data collected by serial section method to establish polycrystalline simulation model, and then use the new model to study nanocrystalline material processing and deformation mechanisms. Th
13、ese issues are important for understanding the ultra-precision machining, nano-prcessing and the mechanical behavior of nanocrystals, and provide the necessary theoretical support for the nano-manufacturing technology. First, the basic theory of the large-scale parallel molecular dynamics method, Mo
14、nte Carlo method and the microstructure of polycrystalline materials are analyzed, based on the parallel algorithm, the large-scale computing platform are constructed, and the ten million atoms of parallel computing are realized. Using grinding experiments to understand the microstructure of polycry
15、stalline materials, the microstructures information of polycrystalline materials are collected by the serial section experiment. The Poission Voronoi method combines Monte Carlo methods are used to establish the molecular dynamics simulation model of polycrystalline materials. Then all the microstru
16、ctures of polycrystalline materials are distinguished. This method has a “universal” characteristic to study the microstructure of polycrystalline materials and lay the foundation for studying the deformation mechanism of polycrystals. By simulation nanomachining of singlecrystalline material, such as - III -哈尔滨工业大学工学博士学位论文 - IV -singlecrystalline silicon, copper, the singlecryst
