一 問題描述

藍(lán)寶石（Al2O3）由于其獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)，優(yōu)異的物理化學(xué)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(lán)寶石具有納米級的表面粗糙度以及嚴(yán)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(yùn)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(xué)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(fù)雜，在實(shí)驗(yàn)中很難觀察到材料納米尺度的變形過程。因此研究藍(lán)寶石材料的變形及去除機(jī)理對指導(dǎo)其超精密加工具有重要意義。

二 ?模型描述

對藍(lán)寶石（Al2O3）拋光的分子動力學(xué)模擬通過原子/分子大規(guī)模并行模擬器(LAMMPS)實(shí)現(xiàn)，模擬結(jié)果采用OVITO進(jìn)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(xué)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?yàn)閄-[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(lán)色和淺藍(lán)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(jìn)行耗散來保持溫度恒定在300 K，牛頓層原子的運(yùn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行對比。

圖2.1: 藍(lán)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(jìn)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(lán)色標(biāo)記。從圖2-2可以看出，當(dāng)拋光深度為10 Å時，無介質(zhì)拋光下，深藍(lán)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?yàn)槟チＯ路降乃肿涌梢詫⒛チ］d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(dǎo)致磨粒去除材料的能力降低。當(dāng)拋光深度為10 Å（時，無介質(zhì)拋光中材料去除機(jī)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(biāo)記，黑線虛線表示拋光的溝槽區(qū)域。由圖2-3可以看出，當(dāng)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(jìn)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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