分子動(dòng)力學(xué)在納米機(jī)械加工技術(shù)中的應(yīng)用

【摘要】分子動(dòng)力學(xué)是在進(jìn)行物質(zhì)的分子或原子的計(jì)算機(jī)模擬時(shí)最常用的一種方法，是模擬的基本方法。通過分子動(dòng)力學(xué)的模擬研究，可以得到原子在尺度上的材料以及對(duì)其演化的可行性分析，這種分析是具有無先例的準(zhǔn)確性的，讓性能預(yù)測(cè)與材料設(shè)計(jì)成為可能。本文通過分析分子動(dòng)力學(xué)的算法及其模擬原理，研究了分子動(dòng)力學(xué)在納米機(jī)械加工中的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】分子動(dòng)力學(xué)；納米機(jī)械加工；應(yīng)用

分子動(dòng)力學(xué)在英文上被稱為Molecular Dynamics，指的是一種科學(xué)的計(jì)算方式。這種計(jì)算方法主要是用于液體、氣體以及固體的分子運(yùn)動(dòng)過程。這種計(jì)算是一種研究分子運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的現(xiàn)象與其本質(zhì)之間關(guān)系的計(jì)算機(jī)模擬方式，也可以用于探索分子運(yùn)動(dòng)的新規(guī)律，從而應(yīng)用于機(jī)械加工中去。這種計(jì)算方式具有對(duì)微觀結(jié)構(gòu)與宏觀特性的溝通作用，能夠有效解釋通過實(shí)驗(yàn)觀察與理論分析難以理解的一些現(xiàn)象?，F(xiàn)如今，分子動(dòng)力學(xué)已經(jīng)成功應(yīng)用與摩擦學(xué)、材料學(xué)、化學(xué)與物理學(xué)，在納米機(jī)械加工領(lǐng)域也同樣有所作為。

一、分子動(dòng)力學(xué)在納米機(jī)械加工中的意義與原理

納米機(jī)械加工是在0.1-100納米的空間內(nèi)，對(duì)物質(zhì)的原子與分子進(jìn)行操作，進(jìn)行機(jī)械材料的加工工作，以此來制造一些具有特定功能的產(chǎn)品，是一種高新制造技術(shù)。在納米切削加工過程中，都是在極小的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行的，這個(gè)區(qū)域通常只包含了幾個(gè)至幾百個(gè)原子層。這種切削的過程本身就是一種原子的被動(dòng)離散現(xiàn)象，其切削的對(duì)象應(yīng)該被看作是分子或是原子的一個(gè)集合。這種極小微粒的切削是不適應(yīng)于傳統(tǒng)技術(shù)的，傳統(tǒng)連續(xù)介質(zhì)力學(xué)并不能夠?qū)υ由踔练肿舆M(jìn)行有效切削，無法有效達(dá)到研究的目的。因此必須要采用分子動(dòng)力學(xué)來研究分析納米加工的整個(gè)過程。

要想讓納米機(jī)械加工技術(shù)更具穩(wěn)定性，就要從根本上在觸痛方式中的切削極限上想辦法，力求讓其切削結(jié)果最小化。切削實(shí)驗(yàn)一般都是在精密的機(jī)床上進(jìn)行的，對(duì)納米的切割主要是通過金剛石車刀來完成的。這種通過分子動(dòng)力學(xué)完成的切削能夠很大程度的減小原有的切削極限。但是這種方式也存在著一定的弊端，在精度上不能夠保證其準(zhǔn)確范圍，并且對(duì)于切削表面的去除機(jī)理之類的問題在院里方面尚未明確。

納米在加工過程中，其狀態(tài)是不可控制的。并且對(duì)切削過程的觀察具有一定限制性，因此在實(shí)驗(yàn)過程中分析與計(jì)算方面難免會(huì)出現(xiàn)一些誤差。但使用分子動(dòng)力學(xué)之后，由于是模擬狀態(tài)下進(jìn)行的，因此可以有效避免絕大部分的誤差，提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。通過分子動(dòng)力學(xué)來建立的納米加工的原子模型，是由其邊界的恒溫層原子、牛頓原子、邊界原子組成的。刀具在切割時(shí)，刀具的粒子與材料的粒子之間會(huì)產(chǎn)生相互的作用力，這種作用力可以運(yùn)用函數(shù)的方法來計(jì)算。這些粒子由于都屬于經(jīng)典粒子，所以它們的量子效應(yīng)可以被忽略不計(jì)，因此其運(yùn)動(dòng)方程也能夠更容易的被建立。

在求出運(yùn)動(dòng)方程的解之后，可以得到刀具粒子對(duì)材料粒子產(chǎn)生的位移長(zhǎng)度以及讓材料粒子產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的速度，然后通過仿真實(shí)驗(yàn)得出粒子運(yùn)動(dòng)的軌跡。通過實(shí)驗(yàn)研究，就能夠?qū)Σ牧显跈C(jī)加工方面產(chǎn)生的變化做出符合原理的解釋。依據(jù)仿真研究，還能夠了解被加工材料的一些性質(zhì)，以及一些加工工藝會(huì)對(duì)材料表面的影響程度。從仿真研究的結(jié)果分析能夠得出結(jié)論，并將結(jié)論用來指導(dǎo)納米的加工工作，讓納米技術(shù)能夠更加穩(wěn)定的應(yīng)用于精度加工中。

由此可見，納米機(jī)械加工技術(shù)的根本理論基礎(chǔ)就是分子動(dòng)力學(xué)，這種加工技術(shù)的應(yīng)用能夠?yàn)闄C(jī)械超精密加工工藝帶來一場(chǎng)革命，并且能夠極大程度的推動(dòng)納米加些加工技術(shù)的研究成果。

二、分子動(dòng)力學(xué)在納米加工技術(shù)中的原理與應(yīng)用方法

（一）分子動(dòng)力學(xué)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(shù)個(gè)分子組成的一個(gè)系統(tǒng)，在這個(gè)系統(tǒng)中，各粒子能夠通過函數(shù)方式求導(dǎo)，得出其運(yùn)動(dòng)軌跡。在計(jì)算方法上，一般是采用力學(xué)勢(shì)能函數(shù)來得出結(jié)論。這種計(jì)算方式能夠在不計(jì)算量子效應(yīng)的情況下，運(yùn)用牛頓力學(xué)來建立一個(gè)數(shù)學(xué)運(yùn)動(dòng)模型，通過對(duì)模型的分析得出粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡，最后通過物理統(tǒng)計(jì)學(xué)原理來對(duì)研究材料的宏觀特性進(jìn)行研究，也就是研究相應(yīng)系統(tǒng)的特性。

（二）計(jì)算分子間的作用力。在計(jì)算過程中，分子間的作用力一直是讓研究者頭疼的問題。長(zhǎng)久以來，研究者們運(yùn)用大量方式來對(duì)其作用力的計(jì)算進(jìn)行研究。運(yùn)用量子力學(xué)的相關(guān)知識(shí)，能夠了解任何原子在架構(gòu)模型上的總能量，從而求出該結(jié)構(gòu)模型的體系方程。在一些相對(duì)復(fù)雜的系統(tǒng)計(jì)算上，這樣的計(jì)算方式幾乎那不可能完成。于是研究者們制定了一套較為簡(jiǎn)便的方案，從而提出了多體勢(shì)與對(duì)偶式的三種典型的勢(shì)函數(shù)形式。

（三）周期邊界條件。分子動(dòng)力學(xué)在模擬中會(huì)有一定的偏差，這種偏差是由模擬系統(tǒng)中的粒子數(shù)比實(shí)際中的粒子數(shù)數(shù)量小的原因引起的。這種在數(shù)量上的粒子差異會(huì)導(dǎo)致尺寸效應(yīng)的產(chǎn)生，故周期邊界條件必須要應(yīng)用到分子動(dòng)力學(xué)中。

周期邊界條件是將在一個(gè)特定范圍內(nèi)的所有粒子放在一定的容積之中，這個(gè)容積就是原胞。在元寶的周圍，會(huì)存在著許多“鏡像細(xì)胞”，這些鏡像細(xì)胞實(shí)際上就是原胞的復(fù)制品，并且無論是在細(xì)胞尺寸上還是細(xì)胞形狀上，鏡像細(xì)胞都與原胞完全相似。并且，在鏡像細(xì)胞中富哦包含的所有粒子就是原細(xì)胞里面包含粒子的鏡像。這些鏡像的存在能夠幫助研究者計(jì)算原胞中粒子的運(yùn)動(dòng)，只需要計(jì)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(dòng)力學(xué)在納米機(jī)械加工技術(shù)總的進(jìn)展

美國(guó)與日本學(xué)者在常溫下運(yùn)用分子動(dòng)力學(xué)對(duì)單晶體進(jìn)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(gè)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(yùn)動(dòng)速度上的變化，從而更好地研究切削現(xiàn)象。

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

（二）切削溫度在切削中的影響。分子動(dòng)力學(xué)要想模擬得更加精確，就需要充分考慮到切削時(shí)產(chǎn)生的溫度影響。在仿真模擬實(shí)驗(yàn)中，分子的勢(shì)能向動(dòng)能的轉(zhuǎn)變不是由人工來進(jìn)行控制的，而是在達(dá)到已訂購(gòu)條件后，分子自行轉(zhuǎn)變的。由于位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，切削熱表現(xiàn)為晶格振動(dòng)的形式，這種現(xiàn)象在理論方面是能夠很好的被模擬的。金屬的導(dǎo)熱率是由電子的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度決定的，所以切削溫度在切削中的影響研究可以通過對(duì)速度標(biāo)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(chǎn)生，增加材料分子的測(cè)流，讓材料表面的粗糙度提升。

結(jié)語

隨著科技與社會(huì)對(duì)機(jī)械加工標(biāo)準(zhǔn)的日趨嚴(yán)格，納米技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各機(jī)械加工過程中。在就目前我國(guó)機(jī)械加工發(fā)展來看。分子動(dòng)力學(xué)的應(yīng)用是必然趨勢(shì)。在今后的研究上，還應(yīng)繼續(xù)改進(jìn)計(jì)算方式、深入研究納米加工機(jī)理，并在繼續(xù)拓展分子動(dòng)力學(xué)的應(yīng)用范圍的同時(shí)讓納米機(jī)械加工技術(shù)更進(jìn)一步發(fā)展。