冲击角对单晶铜纳米磨料切削影响的分子动力学研究

摘要

磨料流抛光在超精密加工中至关重要，纳米级颗粒悬浮于流体中以原子尺度去除材料。本研究采用三维分子动力学（MD）模拟，量化SiC磨料冲击角对单晶铜切削的影响。使用LAMMPS，在保持摩擦系数恒定条件下模拟0°至45°切削角。结果显示切削角与切削力直接相关，导致位错活动增加和表面损伤加剧。反之，小冲击角减少内部缺陷并改善表面质量。未观察到切削角与摩擦系数的明显依赖关系。

背景

超精密加工支撑现代微电子、微机械和光学元件制造，要求纳米级尺寸精度和极致表面光洁度。在精加工技术中，磨料流抛光（AFP）以其消除亚表面损伤同时保持几何公差的能力脱颖而出。AFP涉及超细磨料颗粒分散于流体中冲击工件表面，通过反复微切削去除材料。尽管大量实验研究探讨了宏观参数——流体流变学、磨料浓度、工艺参数——但微观尺度研究仍稀缺，特别是关于冲击角和力产生的原子级力学机制。

MD模拟提供强大的原子尺度视角探究这些现象。先前研究已用MD考察铜、硅等材料纳米切削，揭示位错动力学、相变和能量耗散见解。在此基础上，我们模拟SiC磨料与单晶铜相互作用，重点研究冲击角如何调节切削力、能量传递和缺陷演化。

方法/实验

构建真实SiC磨料模型（半径15 Å，1406原子：681 C + 725 Si）和单晶铜块（159,020原子）。模拟盒经10,000松弛步骤（Δt=0.001 ps）平衡后开始切削。两SiC颗粒以80 m/s速度在0°至45°角度冲击铜表面。总模拟100,000切削步骤，捕捉应力、温度和位错密度演化。

原子间势能函数选择反映不同材料相互作用：Morse势用于Cu-SiC接触，嵌入原子法（EAM）用于Cu-Cu相互作用，Tersoff势用于SiC-SiC键合。此组合在先前纳米加工研究中验证有效，确保弹性、塑性和断裂行为准确表征。

结果与讨论

切削力学与力分析

SiC颗粒通过破坏铜晶格去除材料，产生表现为切削力的剪切应力。图6表明切削力幅值随深度和冲击角增加而增长，尤其沿[010]和[001]晶向。小角度（≤15°）下力保持适中且相对稳定，大角度诱导更高应力和更剧烈波动，指示晶格畸变和缺陷成核增加。

切削过程能量传递

能量分析显示动能随磨料接触铜稳步上升，颗粒完全穿透晶格时达峰值。势能随角度增加至~20°后趋于平稳，反映位错和相变事件启动。总能量在各角度间相对恒定，因动能和势能相互补偿。

原子位移与位错演化

原子位移图（图10）显示大冲击角产生更深穿透和更广泛晶格无序。面心立方（FCC）向六方密堆积（HCP）乃至非晶结构转变明显，尤其角度≥25°时。键角分析识别位错密度（图11）随角度急剧上升，表明大冲击角加剧塑性变形和缺陷累积。

摩擦系数评估

计算摩擦系数（切向力/法向力比）在所有冲击角下基本不变（图13）。这表明表面粘附和原子咬合主导摩擦行为，而非宏观切削几何。

结论

MD模拟证实冲击角是AFP纳米切削决定性因素。0°–15°角产生适度切削力、有限位错活动和优良表面完整性。大角度放大晶格损伤，增加缺陷密度，损害材料性能。摩擦系数对角度不敏感，凸显原子粘附主导地位。因此，保持小冲击角可优化单晶铜磨料流抛光表面质量并最小化内部缺陷。