一 问题描述
蓝宝石（Al2O3）由于其独特的晶体结构，优异的物理化学特性，被广泛应用于航空航天等领域。高精尖的应用领域要求蓝宝石具有纳米级的表面粗糙度以及严格可控的亚表面缺陷。影响超精密加工最终性能的因素主要集中在工件表面与浆料/磨粒之间的相互作用上。在加工过程中，磨粒的运动状态难以控制，这些磨粒会对工件表面造成二体或三体磨损。此外，抛光液对改变磨粒与工件之间的摩擦学性能起着重要作用，而水作为抛光液最主要和基础的成分，对提高工件表面质量和减少磨粒磨损有着积极作用。然而，在水介质抛光过程中，由于磨粒对材料的去除发生在纳米尺度上，使得去除过程较为复杂，在实验中很难观察到材料纳米尺度的变形过程。因此研究蓝宝石材料的变形及去除机理对指导其超精密加工具有重要意义。
二 模型描述
对蓝宝石（Al2O3）抛光的分子动力学模拟通过原子/分子大规模并行模拟器(LAMMPS)实现，模拟结果采用OVITO进行可视化和材料去除分析。图1为单晶Al2O3的抛光分子动力学模拟模型，该模型由Al2O3样品、半径为20Å的虚拟压头以及15Å的水膜组成。样品尺寸约为307 Å×206 Å×130 Å，晶体取向为X-[100]、Y-[010]和Z-[001]。如图1所示，样品分为边界层、恒温层和牛顿层三层，分别用黄色、深蓝色和浅蓝色着色。水分子采用的TIP4P模型。纳米抛光过程中，模型采用恒体积恒能量（NVE）系综调控体系状态。底部边界层固定以确保样品的稳定性，恒温层对模拟过程中产生的热量进行耗散来保持温度恒定在300 K，牛顿层原子的运动服从经典的牛顿第二定律。在Z方向上设置了非周期性边界条件，而在X和Y方向上设置了周期性边界条件以消除边界效应。抛光的模拟过程分别以20 m/s的速度在(001)面上进行压入，然后分别以150 m/s的滑动速度加上100 m/s的滚动速度进行抛光，抛光深度10 Å，抛光距离150 Å最后的结果与无介质环境进行对比。
图2.1: 蓝宝石水润滑抛光模型示意图
三 结果整理与分析
图2-2显示了在抛光距离为0、15和30 Å时，无介质抛光和水介质抛光（水膜厚度为15 Å）两种情况下原子去除过程。图2-2中红色为水分子中的氧原子，绿色为磨粒原子，白色为工件原子。为了更好地观察工件原子去除过程，在图中隐藏了氢原子，对沟槽进行了5 Å的切片处理，并将面积为2×5 Å2的工件原子及用深蓝色标记。从图2-2可以看出，当抛光深度为10 Å时，无介质抛光下，深蓝色的工件原子附着在磨粒周围，表明工件原子以粘附和犁耕作用去除，磨粒与工件表面原子之间存在着粘附力。然而，水的加入使磨粒原子和工件原子之间的相互作用发生了明显的改变。一方面，工件表面的原子在压痕处表现出轻微的弹性变形，这是因为磨粒下方的水分子可以将磨粒载荷转移到工件表面。另一方面，工件表面的原子被一些水分子钝化，使工件原子在抛光过程中与周围的氧原子紧密结合。钝化消除了磨粒原子与工件表面原子之间的粘附，导致磨粒去除材料的能力降低。当抛光深度为10 Å（时，无介质抛光中材料去除机制表现为明显的粘附和犁耕现象，而水介质抛光中仅存在犁耕现象。因此，抛光中的水膜可以钝化工件表面，有效减少磨粒与工件之间的粘附。
图2.2:抛光深度10 Å下的无介质抛光和水介质抛光下的原子去除过程
图2-3为无介质抛光和水介质抛光在抛光距离为150 Å时工件表面磨损形貌的俯视图。在抛光之前，工件被分成几个区域，分别用不同的颜色和数字1-6标记，黑线虚线表示抛光的沟槽区域。由图2-3可以看出，当抛光深度为10 Å时，由于粘附和犁耕的共同作用，无介质抛光中工件原子出现明显的跨区域原子移动现象，而在水介质抛光中这种现象被很大程度地削弱。此外，无介质抛光中的堆积原子范围更大。这进一步证明了水膜的钝化作用显著降低了工件的粘着磨损。
图2.3: 在无介质抛光和水介质抛光中表面磨损形貌的俯视图
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