晶体锗红外光学硬脆材料微纳米尺度塑性切削力学机理研究

As infrared optical material and components have extensive and extremely important applications in the high-tech fields including defense, military and aerospace. Plasticity of brittle materials at micro-nano scale plays a vital role in controlling the surface quality of infrared optical devices. However, the bottleneck problems such as ambiguity of mechanics mechanism and uncontrollability of surface quality still exist in ductile machining of brittle material at micro-nano scale. Therefore, using first principles based on quantum mechanics, this project will study on dislocation structure, characteristics and its relationship with plastic deformation mechanism and brittle fracture mechanism. Using the new atomistic scale analysis method to study on nanomechanics behavior and rules of single crystal germanium about dislocation motion, sliding, microcrack initiates and propagat, cleavage and so on. Using molecular dynamics and nanomechanics experiments methods, The project will study on nanomechanics mechanism of single crystal germanium cutting layer material which is removed by plastic deformation, brittle fracture, and brittle-plastic transition mechanism and influence of parameters of micro-nano scale cutting process and effect of anisotropy of crystal structure. The project will establish new theory of single crystal germanium micro-nano scale plastic cutting. The project aims to reveal microscopic nature and nanomechanics mechanism of single crystal germanium in ductile mode cutting which will provide scientific basis for controlling of brittle-plastic transition and surface quality. This project meets the strategic demands of national high-tech development, not only could it enrich and develop the theory system of micro-nano cutting, but also does contribute to promoting the development of ultra precision machining and micro-nano manufacturing technology.

红外光学材料与器件在国防、军事、航空航天等高科技领域有着广泛而又极其重要的应用，红外光学硬脆材料在微纳米尺度出现的塑性在红外光学器件加工中起关键作用，但硬脆材料的塑性切削仍然存在力学机理不清楚、表面质量难以控制等瓶颈问题。项目采用基于量子力学的第一性原理，研究单晶锗位错结构、性质及其塑性变形机制、脆性断裂机制，用新的原子尺度微观分析方法来研究单晶锗位错运动、滑移、微裂纹形核与扩展、解理等力学行为和规律。采用分子动力学和纳米力学实验相结合的研究方法，研究单晶锗切削层塑性变形材料去除、脆塑转变的纳米力学机理及微纳米切削工艺参数的影响、晶体结构各向异性的影响,建立单晶锗微纳米尺度塑性切削的新理论，揭示单晶锗能塑性切削的微观本质和力学机理，为控制脆塑转变和表面质量调控提供科学依据。项目符合国家高新科技发展重大战略需求，既可以丰富和发展微纳米切削理论体系，又有助于推动超精密加工和微纳制造技术的发展。

红外光学脆硬材料在微纳米尺度表现出的塑性变形特性在红外光学元件的加工精度和表面质量调控中起到了关键作用。研究单晶锗微纳米切削的力学规律和机制，探索切削层变形、切屑和加工表面形成等微纳米切削的机理和理论，对于深刻揭示微纳米切削的力学机理具有重大意义。.项目主要研究了微纳米尺度切削过程中单晶锗切削层材料的塑性变形去除和脆塑转变的微观机制和纳米力学机理，以调控工艺参数，控制单晶锗以塑性变形方式实现材料去除。. 从原子尺度深入研究了单晶锗材料的塑性与脆性，采用第一性原理研究了锑空位复合体对单晶锗脆塑性的影响，锑空位复合体的引入增强了单晶锗的塑性。分析了空位、位错等缺陷对单晶锗塑性变形机制的影响，研究了单晶锗微裂纹的演变过程和机理，分析了切削深度、刃口半径、刀具前角及温度对裂纹产生及扩展的影响。. 采用分子动力学分析方法，研究了纳米尺度效应单晶锗切削层塑性变形材料去除的微观机制和纳米力学特性，分析了切削工艺参数对单晶锗微纳米切削层切削变形、应力应变的影响机理和规律。项目研究了单晶锗微纳米切削过程中的脆塑转变机制和纳米力学机理，分析了脆塑转变过程的原子状态变化、微裂纹产生、扩展的动态演变过程和规律，获得了单晶锗微纳米切削过程不产生裂纹损伤的主要工艺参数，以控制脆塑转变。. 项目还研究了单晶锗各向异性对塑性切削和脆塑转变影响的规律和纳米力学机理，分析了单晶锗各向异性对塑性变形材料去除的影响，研究了不同晶面、晶向对单晶锗纳米切削过程中脆塑转变、微裂纹产生、扩展影响的规律和机制。. 项目采用纳米压痕仪、原子力显微镜为实验仪器，开展了单晶锗微纳米切削特性实验研究。以不同的刀具条件和不同切削工艺参数进行了切削实验，获得了相关实验数据。结合分子动力学分析方法以及纳米划痕试验，揭示了微纳米切削的微观机理。. 通过研究，丰富和发展了微纳米切削加工理论体系，为超精密切削、微纳米切削加工提供理论依据和科学指导。