正文 分子動力學在納米機械加工技術中的應用(2 / 2)

二、分子動力學在納米加工技術中的原理與應用方法

(一)分子動力學模擬的理論過程。在物理上來看,研究材料可以被看作是由無數個分子組成的一個係統,在這個係統中,各粒子能夠通過函數方式求導,得出其運動軌跡。在計算方法上,一般是采用力學勢能函數來得出結論。這種計算方式能夠在不計算量子效應的情況下,運用牛頓力學來建立一個數學運動模型,通過對模型的分析得出粒子的運動軌跡,最後通過物理統計學原理來對研究材料的宏觀特性進行研究,也就是研究相應係統的特性。

(二)計算分子間的作用力。在計算過程中,分子間的作用力一直是讓研究者頭疼的問題。長久以來,研究者們運用大量方式來對其作用力的計算進行研究。運用量子力學的相關知識,能夠了解任何原子在架構模型上的總能量,從而求出該結構模型的體係方程。在一些相對複雜的係統計算上,這樣的計算方式幾乎那不可能完成。於是研究者們製定了一套較為簡便的方案,從而提出了多體勢與對偶式的三種典型的勢函數形式。

(三)周期邊界條件。分子動力學在模擬中會有一定的偏差,這種偏差是由模擬係統中的粒子數比實際中的粒子數數量小的原因引起的。這種在數量上的粒子差異會導致尺寸效應的產生,故周期邊界條件必須要應用到分子動力學中。

周期邊界條件是將在一個特定範圍內的所有粒子放在一定的容積之中,這個容積就是原胞。在元寶的周圍,會存在著許多“鏡像細胞”,這些鏡像細胞實際上就是原胞的複製品,並且無論是在細胞尺寸上還是細胞形狀上,鏡像細胞都與原胞完全相似。並且,在鏡像細胞中富哦包含的所有粒子就是原細胞裏麵包含粒子的鏡像。這些鏡像的存在能夠幫助研究者計算原胞中粒子的運動,隻需要計算原胞周圍的邊界條件即可,很大程度上減少了工作量。

三、分子動力學在納米機械加工技術總的進展

美國與日本學者在常溫下運用分子動力學對單晶體進行垂直切削,使用的是金剛石車刀。在模擬過程中,建立的是二維原子模型或是三維原子模型,模型中大約包含了5000-8000個原子。模擬是金剛石車刀的刀刃的圓弧半徑是1-5毫米,切削速度在每秒2米或是每秒200米,從而得到在切削過程中,刀具分子與材料分子在位置與運動速度上的變化,從而更好地研究切削現象。

(一)切削力在切削中的影響。通過勢能函數中參數的改變,分子動力學能夠通過模擬研究切削力的改變對切削效果的作用。研究表明,材料與刀具分子之間的結合力下降或是斥力的增加都能夠讓表麵的粗糙程度加劇。

(二)切削溫度在切削中的影響。分子動力學要想模擬得更加精確,就需要充分考慮到切削時產生的溫度影響。在仿真模擬實驗中,分子的勢能向動能的轉變不是由人工來進行控製的,而是在達到已訂購條件後,分子自行轉變的。由於位錯運動,切削熱表現為晶格振動的形式,這種現象在理論方麵是能夠很好的被模擬的。金屬的導熱率是由電子的運動強度決定的,所以切削溫度在切削中的影響研究可以通過對速度標度的方式來模擬。研究表明,若是提高切削溫度,能夠有效減少切屑的產生,增加材料分子的測流,讓材料表麵的粗糙度提升。

結語

隨著科技與社會對機械加工標準的日趨嚴格,納米技術已經廣泛應用於各機械加工過程中。在就目前我國機械加工發展來看。分子動力學的應用是必然趨勢。在今後的研究上,還應繼續改進計算方式、深入研究納米加工機理,並在繼續拓展分子動力學的應用範圍的同時讓納米機械加工技術更進一步發展。