光學(xué)石英玻璃納米加工性能的研究.pdf

1、光學(xué)石英玻璃由于其獨(dú)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(jī)械加工性能十分差，在超精密加工時(shí)，非常容易出現(xiàn)裂紋和損傷，嚴(yán)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(jí)的加工條件，研究進(jìn)展緩慢，目前對(duì)于石英玻璃納米級(jí)加工性能的研究依然存在很大的問(wèn)題，在納米尺度上，仿真的辦法逐漸顯示出巨大的優(yōu)勢(shì)，特別是分子動(dòng)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

2、種強(qiáng)有力的手段?；谝陨系膯?wèn)題和現(xiàn)狀，本文提出了采用分子動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)合納米壓痕實(shí)驗(yàn)的辦法，開(kāi)展石英玻璃納米加工性能的研究工作。
　　為了解決計(jì)算能力的問(wèn)題，基于CPU加速技術(shù)，搭建了大規(guī)模的分子動(dòng)力學(xué)仿真平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了多臺(tái)計(jì)算機(jī)并行計(jì)算，通過(guò)集群測(cè)試發(fā)現(xiàn)，仿真規(guī)模可以實(shí)現(xiàn)亞微米級(jí)別，原子數(shù)目達(dá)到上億個(gè)，集群加速比可達(dá)到1.65。
　　基于石英玻璃的實(shí)際制造過(guò)程，通過(guò)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(guò)密度(2.

3、285g/cm3)和硬度(9.7～10.7Gpa)等參數(shù)驗(yàn)證了模型的正確性，并通過(guò)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(wú)法密集堆積，形成了許多的微觀缺陷，對(duì)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(yùn)動(dòng)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(huì)有減少的趨勢(shì)，表面壓痕形貌沒(méi)有明顯的材料堆積現(xiàn)象，而內(nèi)部缺陷原子的運(yùn)動(dòng)主要有三種:轉(zhuǎn)移、消失和稠密化。缺

4、陷原子的運(yùn)動(dòng)會(huì)對(duì)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(yùn)動(dòng)和劃過(guò)表面的力學(xué)性能。得出材料變形規(guī)律是稠密化過(guò)程，不是塑性流動(dòng)現(xiàn)象，這也是表面密度增大的原因。對(duì)于不同參數(shù)，得出多次加工會(huì)降低切削力，有利于劃痕的穩(wěn)定。通過(guò)分析劃過(guò)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(jìn)