基于分子动力学仿真的超精密切削单晶铜亚表层缺陷演变基础研究

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单晶铜的(111)晶面与单晶石墨烯的超高适配度使其成为生长单晶石墨烯的理想表面。但其加工过程中产生的亚表层缺陷是严重限制单晶石墨烯制备质量及效率的重要因素,为此有效降低超精密切削单晶铜过程中亚表层缺陷的产生及分布已成为单晶石墨烯薄膜产业亟需解决的关键问题。本文利用分子动力学仿真的方法展开对超精密切削单晶铜过程中亚表层缺陷的研究。在建立超精密切削单晶铜(111)的分子动力学仿真模型基础上,不仅研究了位错滑移对材料去除的影响,还对亚表层缺陷的演变过程、不同缺陷之间的转化关系、不同切削参数对亚表层缺陷的影响进行了探究,为有效抑制超精密切削单晶铜过程中亚表层缺陷的产生提供可靠参考。主要研究工作如下:(1)建立基于单晶铜(111)晶面为超精密切削平面的分子动力学仿真模型并对其弛豫过程进行分析,确保仿真模型在切削开始之前的稳定性。通过CNA分析法对沿不同晶向切削单晶铜的过程中工件材料的主要滑移面及滑移方向进行分析,结果发现主要滑移面的个数及滑移方向存在很大差异。将同一切削方向的主要滑移面与已加工表面两侧毛刺的分布情况进行对比,发现毛刺的分布是否均匀与对应的主要滑移面的个数及滑移方向有着直接的关系。结果表明,沿只有一个主要滑移面的晶向切削时,已加工表面两侧毛刺呈均匀分布且毛刺的高度最低。(2)通过CNA分析法对超精密切削单晶铜(111)过程中产生的亚表层缺陷进行识别,主要有“V”形位错、棱柱位错环、四面体堆垛层错及梯杆位错等。在对各种亚表层缺陷及对应的位错线进行识别、标记及追踪的基础上,分析各个亚表层缺陷的演变过程及之间的转化关系。结果表明:所有常见的亚表层缺陷都源自沿不同滑移面扩展的层错;“V”形位错是形成棱柱位错环、四面体堆垛层错这种更复杂缺陷的重要基础;不同亚表层缺陷之间存在一定的转化关系,结构复杂的层错类缺陷也可以向结构相对简单的团簇类缺陷进行转化,这有利于单晶铜表面质量的改善。(3)通过对比不同切削参数的超精密切削单晶铜(111)过程中的亚表层缺陷情况,可以发现切削深度、切削速度及切削方向对亚表层缺陷的影响十分显著。切削深度与切削速度对切削过程中已加工表面下的亚表层缺陷深度的变化趋势基本相同。沿只有一个主要滑移面的不全位错柏氏矢量型晶向切削时,已加工表面下的亚表层缺陷深度最小而且稳定,待加工材料的亚表层缺陷只在刀具前方均匀的分布。
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