1.3 单晶硅超精密切削的分子动力学仿真发展现状

如今，计算机模拟技术已经成为科学研究的重要手段。分子动力学模拟仿真可以说是计算机的衍生物，它能直观地展现微观运动过程。因此，利用分子动力学对纳米加工进行研究成为各个国家的研究热点。

在计算机诞生之初，就有物理学家提出借助计算机进行分子动力学研究。20世纪50年代后期，Alder等最先在统计力学范畴内应用分子动力学方法，这是世界上公认的首次分子动力学仿真，之后又将该方法运用在硬球模型系统的气液相变问题上^[35，36]。至此，微观尺度的研究领域掀起了分子动力学仿真的热潮，继而扩展到更多领域。分子动力学发展到70年代，学者又将涨落耗散理论、密度泛函理论等许多全新思想引入其中，并与热力学、统计学等学科结合，从而提出许多新算法，丰富和完善了分子动力学体系。进入90年代，计算机的飞速革新更是让分子动力学有如神助，得到了极大的发展。

20世纪80年代，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）将分子动力学方法应用到超精密加工领域中，实验员使用该方法研究了单晶铜纳米切削过程^[37]。此次仿真为超精密加工研究提供了新的理论方法，具有深远的影响。到了90年代，利弗莫尔实验室又继续在金刚石-硅界面上进行压痕及切削实验的分子动力学仿真^[38]，实验员仿真了金刚石刀具正交切削单晶硅（001）晶面的过程，发现已加工表面上原子和切屑中的原子都转变成了非晶态。其间提出周期性边界条件假说，此假说是将工件划分成三个区块：边界区、恒温区、牛顿区（见图1-1）。此种划分方法是现代分子动力学仿真模型的基础。

图1-1 切削过程的分子动力学模型

美国俄克拉荷马州立大学的学术专家N.Chandrasekaran和R.Komanduri^[39，40]对纳米切削的分子动力学仿真进行了许多深入研究，在之前仿真模型的基础上进行了一些改动，又提出长度限制分子动力学（LRMD）的观点，使模拟速度得到大幅度提升，更降低了模拟对机器的内存要求。而后在对单晶铝的纳米切削研究中，学者们利用瞬时的切削过程图像分析切削机理在不同切削方向和晶向条件下的差别，他们发现晶体的晶向和刀具的切削方向均影响着切削力和加工表面的形变，还总结了纳米切削中塑性变形的三种情况，即与切削方向平行、垂直以及呈一定的角度^[41]。R.Komanduri教授还带领他的学生在之前实验的基础上开展了单晶硅纳米切削的分子动力学仿真^[42]，他们在研究过程中发现切削刃钝圆半径和负前角有助于硅表面的原子以塑性方式去除，同时还观察到晶体表面在加工过程中没有发生非晶态转变，而是发生结构的相位转换。

日本对切削加工的分子动力学方面的研究开展也比较早。日本大阪大学S.Shimada和N.Ikawa教授以及名古屋大学的T.Inamura教授在纳米加工机理的分子动力学仿真方面进行了很多的研究，前期工作得出的结论与美国基本相似，但随后他们就在此基础上进一步地深入研究，在对无缺陷的单晶硅表面上进行的微压痕和微切削过程使用分子动力学方法模拟^[43，44]后，发现存在两个临界标准，它们决定了材料的去除方式。他们随后又对切削过程中的各种参数进行了仿真分析，如最小切削深度、切削力和切削温度等^[45]，还借助3D仿真模型进行了硅表面超精密切削的已加工表面形成的研究^[46]。

国外还有很多国家也对切削加工的分子动力学仿真做了研究。Rentsh于20世纪90年代在德国不来梅大学研究了纳米切削中晶格走向对其加工机理的影响^[47]。英国的研究人员Sanz-Navarro等分别以不同的三个晶向对单晶硅进行纳米压痕的分子动力学模拟，并分析其过程中的形态变化^[48]。韩国首尔国立大学的D.E.Kim等学者仿真了不同晶向条件下的单晶硅纳米压痕，从微观原子分析了纳米压痕中的单晶硅相位转变^[49]。诸如此类的研究还有很多，这里就不一一列举了。

国内的分子动力学研究开展得比较晚。清华大学摩擦学实验室在温诗铸院士的指导下，从1993年就开始了纳米摩擦的分子动力学研究^[50]。

天津大学于思远教授及其博士研究生林滨在单晶硅的超精密磨削加工中借助了分子动力学模拟方法进行研究^[51，52]，并分析了加工参数对磨削过程的影响。而房丰洲教授则在金刚石针尖刻划单晶硅的实验中应用了分子动力学仿真，实验表明：在加工中形成毛刺和材料的侧向流均可以降低表面粗糙度^[53]。

哈尔滨工业大学的董申和梁迎春教授以及其指导的研究生建立了非线性分子动力学模型，得出了位错运动是切屑的产生和加工表面的形成机制。他们还对单晶硅超精密切削进行了分子动力学模拟，同时还研究了单晶与多晶材料加工中切屑与已加工表面的形成机理^[54-56]。

大连理工大学的郭东明教授以及燕山大学的王加春教授也均在机械加工的分子动力学研究领域颇有建树。郭东明教授和郭晓光博士^[57，58]在研究单晶硅磨削过程时，采用了并行的分子动力学仿真。研究结果表明：单晶硅的磨削机理是硅原子发生了非晶相变。

从上面大量的研究实例中可以看出，通过借助分子动力学来研究一些现实中难以达成的实验或观察微观运动都十分简单方便。但是将分子动力学应用在超精密机械加工中的研究年限较短，仍然是一项较新的技术方法。因此，这种方法还会存在一些不完善的地方，如由于仿真条件的限制，只能模拟较小规模和较为理想的简单系统，这与实际的情况会有很大的出入。在模拟时所采用的经验势函数具有一定局限性，而且现今还没有一种能够验证仿真结果正确与否的方法。这些因素都在一定程度上阻碍了分子动力学的发展。所以，如果这些方面能够在未来得以改善，那么分子动力学将会应用得更加广泛，使用价值也会更高。