一 問題描述

藍寶石（Al2O3）由于其獨特的晶體結(jié)構(gòu)，優(yōu)異的物理化學特性，被廣泛應(yīng)用于航空航天等領(lǐng)域。高精尖的應(yīng)用領(lǐng)域要求藍寶石具有納米級的表面粗糙度以及嚴格可控的亞表面缺陷。影響超精密加工最終性能的因素主要集中在工件表面與漿料/磨粒之間的相互作用上。在加工過程中，磨粒的運動狀態(tài)難以控制，這些磨粒會對工件表面造成二體或三體磨損。此外，拋光液對改變磨粒與工件之間的摩擦學性能起著重要作用，而水作為拋光液最主要和基礎(chǔ)的成分，對提高工件表面質(zhì)量和減少磨粒磨損有著積極作用。然而，在水介質(zhì)拋光過程中，由于磨粒對材料的去除發(fā)生在納米尺度上，使得去除過程較為復雜，在實驗中很難觀察到材料納米尺度的變形過程。因此研究藍寶石材料的變形及去除機理對指導其超精密加工具有重要意義。

二  模型描述

對藍寶石（Al2O3）拋光的分子動力學模擬通過原子/分子大規(guī)模并行模擬器(LAMMPS)實現(xiàn)，模擬結(jié)果采用OVITO進行可視化和材料去除分析。圖1為單晶Al2O3的拋光分子動力學模擬模型，該模型由Al2O3樣品、半徑為20Å的虛擬壓頭以及15Å的水膜組成。樣品尺寸約為307 Å×206 Å×130 Å，晶體取向為X-[100]、Y-[010]和Z-[001]。如圖1所示，樣品分為邊界層、恒溫層和牛頓層三層，分別用黃色、深藍色和淺藍色著色。水分子采用的TIP4P模型。納米拋光過程中，模型采用恒體積恒能量（NVE）系綜調(diào)控體系狀態(tài)。底部邊界層固定以確保樣品的穩(wěn)定性，恒溫層對模擬過程中產(chǎn)生的熱量進行耗散來保持溫度恒定在300 K，牛頓層原子的運動服從經(jīng)典的牛頓第二定律。在Z方向上設(shè)置了非周期性邊界條件，而在X和Y方向上設(shè)置了周期性邊界條件以消除邊界效應(yīng)。拋光的模擬過程分別以20 m/s的速度在(001)面上進行壓入，然后分別以150 m/s的滑動速度加上100 m/s的滾動速度進行拋光，拋光深度10 Å，拋光距離150 Å最后的結(jié)果與無介質(zhì)環(huán)境進行對比。

圖2.1: 藍寶石水潤滑拋光模型示意圖

三  結(jié)果整理與分析

圖2-2顯示了在拋光距離為0、15和30 Å時，無介質(zhì)拋光和水介質(zhì)拋光（水膜厚度為15 Å）兩種情況下原子去除過程。圖2-2中紅色為水分子中的氧原子，綠色為磨粒原子，白色為工件原子。為了更好地觀察工件原子去除過程，在圖中隱藏了氫原子，對溝槽進行了5 Å的切片處理，并將面積為2×5 Å2的工件原子及用深藍色標記。從圖2-2可以看出，當拋光深度為10 Å時，無介質(zhì)拋光下，深藍色的工件原子附著在磨粒周圍，表明工件原子以粘附和犁耕作用去除，磨粒與工件表面原子之間存在著粘附力。然而，水的加入使磨粒原子和工件原子之間的相互作用發(fā)生了明顯的改變。一方面，工件表面的原子在壓痕處表現(xiàn)出輕微的彈性變形，這是因為磨粒下方的水分子可以將磨粒載荷轉(zhuǎn)移到工件表面。另一方面，工件表面的原子被一些水分子鈍化，使工件原子在拋光過程中與周圍的氧原子緊密結(jié)合。鈍化消除了磨粒原子與工件表面原子之間的粘附，導致磨粒去除材料的能力降低。當拋光深度為10 Å（時，無介質(zhì)拋光中材料去除機制表現(xiàn)為明顯的粘附和犁耕現(xiàn)象，而水介質(zhì)拋光中僅存在犁耕現(xiàn)象。因此，拋光中的水膜可以鈍化工件表面，有效減少磨粒與工件之間的粘附。

圖2.2:拋光深度10 Å下的無介質(zhì)拋光和水介質(zhì)拋光下的原子去除過程

圖2-3為無介質(zhì)拋光和水介質(zhì)拋光在拋光距離為150 Å時工件表面磨損形貌的俯視圖。在拋光之前，工件被分成幾個區(qū)域，分別用不同的顏色和數(shù)字1-6標記，黑線虛線表示拋光的溝槽區(qū)域。由圖2-3可以看出，當拋光深度為10 Å時，由于粘附和犁耕的共同作用，無介質(zhì)拋光中工件原子出現(xiàn)明顯的跨區(qū)域原子移動現(xiàn)象，而在水介質(zhì)拋光中這種現(xiàn)象被很大程度地削弱。此外，無介質(zhì)拋光中的堆積原子范圍更大。這進一步證明了水膜的鈍化作用顯著降低了工件的粘著磨損。

圖2.3: 在無介質(zhì)拋光和水介質(zhì)拋光中表面磨損形貌的俯視圖

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