本文關(guān)鍵詞：光學(xué)石英玻璃納米加工性能的研究

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【摘要】：光學(xué)石英玻璃由于其獨特的光學(xué)性能和穩(wěn)定的物理化學(xué)性能,在高新技術(shù)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用,特別在惡劣的環(huán)境下,更是具有不可替代的地位。但是石英玻璃的機械加工性能十分差,在超精密加工時,非常容易出現(xiàn)裂紋和損傷,嚴重的限制了石英玻璃的應(yīng)用和發(fā)展,但是受限于納米級的加工條件,研究進展緩慢,目前對于石英玻璃納米級加工性能的研究依然存在很大的問題,在納米尺度上,仿真的辦法逐漸顯示出巨大的優(yōu)勢,特別是分子動力學(xué)仿真,已經(jīng)成為研究納米尺度上材料加工性能的一種強有力的手段�；谝陨系膯栴}和現(xiàn)狀,本文提出了采用分子動力學(xué)仿真結(jié)合納米壓痕實驗的辦法,開展石英玻璃納米加工性能的研究工作。為了解決計算能力的問題,基于CPU加速技術(shù),搭建了大規(guī)模的分子動力學(xué)仿真平臺,實現(xiàn)了多臺計算機并行計算,通過集群測試發(fā)現(xiàn),仿真規(guī)模可以實現(xiàn)亞微米級別,原子數(shù)目達到上億個,集群加速比可達到1.65�；谑⒉ＡУ膶嶋H制造過程,通過熔融-淬火的方式獲得了石英玻璃的非晶態(tài)仿真模型,通過密度(2.285g/cm3)和硬度(9.7～10.7Gpa)等參數(shù)驗證了模型的正確性,并通過微觀結(jié)構(gòu)的觀察,發(fā)現(xiàn)由于內(nèi)部化學(xué)鍵的重組,原子之間無法密集堆積,形成了許多的微觀缺陷,對于后續(xù)加工有很大的影響。納米壓痕仿真中主要研究了材料的力學(xué)性能、表面形貌、亞表面損傷和內(nèi)部缺陷原子的運動規(guī)律,發(fā)現(xiàn)石英玻璃的硬度和彈性模量隨著壓深的增大會有減少的趨勢,表面壓痕形貌沒有明顯的材料堆積現(xiàn)象,而內(nèi)部缺陷原子的運動主要有三種：轉(zhuǎn)移、消失和稠密化。缺陷原子的運動會對力學(xué)性能的變化和最后的損傷層形成有一定的影響。納米劃痕仿真中,主要研究了在不同條件下力和溫度的變化、缺陷結(jié)構(gòu)的運動和劃過表面的力學(xué)性能。得出材料變形規(guī)律是稠密化過程,不是塑性流動現(xiàn)象,這也是表面密度增大的原因。對于不同參數(shù),得出多次加工會降低切削力,有利于劃痕的穩(wěn)定。通過分析劃過區(qū)域的微觀結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)表面的硬度增加了18%,彈性回彈率降低了8%,力學(xué)性能變化的原因是出現(xiàn)了大量的5配位的硅原子。最后進行了納米壓痕實驗,主要研究了力學(xué)性能和材料的表面形貌,得出隨著恒定載荷的不斷增大,材料的彈性模量、納米硬度和彈性回彈率不斷的減少,證明了仿真的正確性。比較了不同載荷的表面形貌,發(fā)現(xiàn)材料稠密化后,材料的堆積會變成主要的變形規(guī)律,補充了仿真的不足。最后研究了加載次數(shù)和速度對材料變形和力學(xué)性能的影響。
【關(guān)鍵詞】：分子動力學(xué)仿真 石英玻璃 內(nèi)部缺陷 納米壓痕 納米劃痕
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TQ171.731
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 緒論9-17
• 1.1 課題來源、研究背景及意義9-11
• 1.1.1 課題來源9
• 1.1.2 課題的研究背景及意義9-11
• 1.2 石英玻璃納米加工性能的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀11-16
• 1.2.1 石英玻璃納米加工性能的仿真研究11-14
• 1.2.2 石英玻璃納米加工性能的實驗研究14-16
• 1.3 本文主要研究工作16-17
• 2 分子動力學(xué)方法的基本原理17-28
• 2.1 引言17-18
• 2.2 分子動力學(xué)的基本理論18-24
• 2.2.1 系綜的選擇18
• 2.2.2 原子間的勢函數(shù)18-20
• 2.2.3 基本運動方程的求解20-22
• 2.2.4 原子邊界和時間步長22-23
• 2.2.5 溫度控制方法23
• 2.2.6 分子動力學(xué)仿真軟件與顯示軟件23-24
• 2.3 基于CPU并行技術(shù)的高性能計算機集群24-27
• 2.4 本章小結(jié)27-28
• 3 石英玻璃納米壓痕仿真28-45
• 3.1 引言28
• 3.2 石英玻璃MD模型的構(gòu)建28-33
• 3.2.1 基于石英晶體的建模方法28-31
• 3.2.2 石英玻璃模型的驗證和缺陷結(jié)構(gòu)的分析31-33
• 3.3 石英玻璃納米壓痕仿真過程的建立33-34
• 3.3.1 石英玻璃納米壓痕模型的建立33
• 3.3.2 石英玻璃納米壓痕仿真參數(shù)設(shè)定33-34
• 3.4 石英玻璃納米壓痕仿真結(jié)果分析34-43
• 3.4.1 載荷-位移曲線34-35
• 3.4.2 表面形貌分析35-36
• 3.4.3 壓深對石英玻璃納米壓痕的影響36-40
• 3.4.4 石英玻璃內(nèi)部缺陷和最后損傷層分析40-43
• 3.5 本章小結(jié)43-45
• 4 石英玻璃納米劃痕仿真研究45-56
• 4.1 引言45
• 4.2 石英玻璃納米劃痕仿真過程的建立45-47
• 4.3 石英玻璃納米劃痕結(jié)果分析47-50
• 4.3.1 石英玻璃納米劃痕力學(xué)性能研究47-48
• 4.3.2 劃痕深度和速度對劃痕過程的影響48-50
• 4.3.3 石英玻璃納米劃痕過程中內(nèi)部缺陷的變化50
• 4.4 石英玻璃劃過表面的加工性能研究50-55
• 4.4.1 劃過表面的力學(xué)性能50-52
• 4.4.2 劃過表面的微觀結(jié)構(gòu)分析52-53
• 4.4.3 多次劃痕下的加工性能研究53-55
• 4.5 本章小結(jié)55-56
• 5 石英玻璃納米加工性能的實驗研究56-66
• 5.1 納米壓痕實驗的實驗原理56-57
• 5.2 石英玻璃納米壓痕實驗材料和設(shè)備57-59
• 5.3 石英玻璃納米壓痕結(jié)果分析59-65
• 5.3.1 變載荷的研究59-63
• 5.3.2 加載速度的研究63-64
• 5.3.3 加載次數(shù)的研究64-65
• 5.4 本章小結(jié)65-66
• 結(jié)論66-67
• 參考文獻67-72
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表學(xué)術(shù)論文情況72-73
• 致謝73-74

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