本書(shū)采用分子動(dòng)力學(xué)模擬的研究方法，對(duì)微裝備、微制造領(lǐng)域的納米摩擦和磨損問(wèn)題進(jìn)行了系統(tǒng)論述。其主要內(nèi)容包括：緒論、分子動(dòng)力學(xué)的原理與方法、納米壓入過(guò)程模擬、空氣條件下納米磨料磨損行為、含水膜條件下單晶銅納米薄膜材料的磨損行為、化學(xué)機(jī)械拋光過(guò)程的分子動(dòng)力學(xué)、晶界對(duì)納米多晶銅力學(xué)性能的影響。本書(shū)主要應(yīng)用LAMMPS大規(guī)模并行軟件進(jìn)行模擬計(jì)算，其中還涉及大量對(duì)位錯(cuò)理論、相變理論和相場(chǎng)方法的應(yīng)用討論，內(nèi)容針對(duì)性強(qiáng)，可為解決微裝備、微制造領(lǐng)域的納米摩擦和磨損問(wèn)題提供幫助。
1）本書(shū)采用分子動(dòng)力學(xué)模擬的研究方法，對(duì)微裝備、微制造領(lǐng)域的納米摩擦和磨損問(wèn)題進(jìn)行了系統(tǒng)論述。
2）主要內(nèi)容包括：緒論、分子動(dòng)力學(xué)的原理與方法、納米壓入過(guò)程模擬、空氣條件下納米磨料磨損行為、含水膜條件下單晶銅納米薄膜材料的磨損行為、化學(xué)機(jī)械拋光過(guò)程的分子動(dòng)力學(xué)、晶界對(duì)納米多晶銅力學(xué)性能的影響。
3）本書(shū)主要應(yīng)用LAMMPS大規(guī)模并行軟件進(jìn)行模擬計(jì)算，其中還涉及大量對(duì)位錯(cuò)理論、相變理論和相場(chǎng)方法的應(yīng)用討論，內(nèi)容針對(duì)性強(qiáng)，可為解決微裝備、微制造領(lǐng)域的納米摩擦和磨損問(wèn)題提供幫助。
隨著微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）的應(yīng)用日益成熟和大規(guī)模集成電路制造的需求越來(lái)越旺盛，制造和應(yīng)用中產(chǎn)生的摩擦學(xué)問(wèn)題近年來(lái)得到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注和重視。這兩個(gè)領(lǐng)域的摩擦學(xué)研究屬于納米摩擦學(xué)范疇，在應(yīng)用方面，學(xué)者們主要關(guān)注如何減少摩擦和磨損；而在制造方面，學(xué)者們的興趣則主要在如何科學(xué)利用和調(diào)控摩擦和磨損，典型的應(yīng)用就是芯片制造中的化學(xué)機(jī)械拋光。在化學(xué)機(jī)械拋光中，研究人員想方設(shè)法在產(chǎn)生盡可能少的缺陷的基礎(chǔ)上，有效增大被拋光材料的磨損率，即材料的去除率，這和在應(yīng)用中要盡可能減少材料磨損是截然相反的。
納米摩擦學(xué)研究的蓬勃發(fā)展離不開(kāi)現(xiàn)代顯微檢測(cè)技術(shù)，如掃描電子顯微鏡（SEM）、高分辨率透射顯微鏡（HRTEM）、X射線光電子能譜（XPS）、掃描隧道顯微鏡（STM）、原子力顯微鏡（AFM）、納米壓痕儀（NI）等。其中新型的納米壓痕儀還結(jié)合了原子力顯微鏡，它除了能開(kāi)展納米壓痕試驗(yàn)外，還可以應(yīng)用于納米劃痕試驗(yàn)，從中可以得到許多精確的納米級(jí)或微米級(jí)的材料力學(xué)行為，如壓入硬度、彈性模量、屈服強(qiáng)度、斷裂韌度等。有的新型納米壓入裝置還可以用于微納尺度材料的壓縮、拉伸、斷裂、疲勞摩擦和磨損等測(cè)試，極大地推動(dòng)了納米摩擦學(xué)的研究。理論上，分子模擬技術(shù)，特別是分子動(dòng)力學(xué)模擬軟件的發(fā)展，無(wú)疑給納米摩擦學(xué)研究增添了助推劑，它可以打破和克服納米尺度真實(shí)試驗(yàn)工作的局限，運(yùn)用大規(guī)模多CPU并行處理的計(jì)算機(jī)來(lái)完成納米尺度摩擦磨損過(guò)程的模擬。分子模擬理論和現(xiàn)代顯微檢測(cè)技術(shù)協(xié)同合作，使人類把視野延伸到原子和分子水平。在此基礎(chǔ)上，從事跨尺度的研究才真正成為可能。
納米摩擦學(xué)與宏觀摩擦學(xué)一樣，涉及摩擦、磨損和潤(rùn)滑，也屬于交叉學(xué)科的范疇，數(shù)學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、力學(xué)、機(jī)械學(xué)、晶體學(xué)、材料學(xué)等都與納米摩擦學(xué)相關(guān)聯(lián)。本書(shū)僅涉及其中一個(gè)方向，即運(yùn)用分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算軟件LAMMPS模擬幾種材料的納米磨損過(guò)程，期望從中得出規(guī)律性的認(rèn)識(shí)，并能對(duì)該領(lǐng)域的應(yīng)用實(shí)踐打下基礎(chǔ)。
第1章簡(jiǎn)要綜述了分子動(dòng)力學(xué)的發(fā)展及其應(yīng)用價(jià)值；第2章概述了分子動(dòng)力學(xué)的原理、作用勢(shì)函數(shù)和模擬工具；第3章從納米壓入原理和試驗(yàn)入手，論述了使用分子動(dòng)力學(xué)模擬得到的對(duì)單晶銅、單晶硅的納米壓入的規(guī)律性認(rèn)識(shí)，在該章的后一節(jié)，還專門敘述了單晶納米線的拉伸行為，提出材料尺度對(duì)材料性能有重要影響的支撐觀點(diǎn)；第4章系統(tǒng)論述了在空氣潤(rùn)滑下單晶銅的納米二體和三體磨料磨損的模擬試驗(yàn)及其規(guī)律，介紹了單晶硅的納米磨料磨損，指出納米尺度與宏觀磨料磨損的主要區(qū)別之一在于不能忽略被磨表面的彈性回復(fù)作用，據(jù)此，完善了納米尺度下橢球磨料的滑動(dòng)與滾動(dòng)的判據(jù)；第5章分析了在含水膜條件下單晶銅的納米壓入、二體及三體磨料磨損的行為，并將磨料滾動(dòng)與滑動(dòng)的判據(jù)延伸到有水潤(rùn)滑的條件，水膜的存在能降低摩擦因數(shù)并影響材料的去除率；第6章直接針對(duì)化學(xué)機(jī)械拋光過(guò)程，系統(tǒng)討論了單晶硅表面覆蓋有無(wú)定形二氧化硅膜情況下的納米壓入和磨損行為，并在含有水膜的情況下，分析了材料的磨損去除機(jī)理，還采用非剛性磨料模擬磨損過(guò)程，發(fā)現(xiàn)采用非剛性磨料時(shí)，相比剛性磨料，材料去除效率較高，單晶硅表面去除質(zhì)量好，基體無(wú)缺陷；第7章中，作者采用分子動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)研究了納米多晶銅的變形行為，并結(jié)合使用相場(chǎng)法構(gòu)建了更接近實(shí)際的多晶模型，定量分析了晶界的移動(dòng)和孿晶演化過(guò)程，為將來(lái)合理設(shè)計(jì)晶體結(jié)構(gòu)提供了理論依據(jù)。
本書(shū)為《磨料磨損》的續(xù)作。書(shū)中主要內(nèi)容為作者十余年相關(guān)科研工作的總結(jié)。作者指導(dǎo)的博士生孫甲鵬（河海大學(xué)副研究員）、史俊勤（西北工業(yè)大學(xué)副教授）、陳娟（太原科技大學(xué)講師）、張猛（日本東京大學(xué)博士后）和優(yōu)秀碩士生朱向征（深圳邁瑞生物醫(yī)療電子股份有限公司）整理了書(shū)中主要章節(jié)內(nèi)容及計(jì)算數(shù)據(jù)。特別是張猛博士為本書(shū)的排版做了重要的工作，在此一并向同學(xué)們表示衷心感謝。也衷心感謝在指導(dǎo)研究生過(guò)程中，作者所在研究組老師，特別是孫琨教授的協(xié)助指導(dǎo)和幫助。同時(shí)感謝國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)對(duì)本書(shū)的出版提供的經(jīng)費(fèi)支持（MEMS中的納米三體磨料磨損，項(xiàng)目編號(hào)：51375364）。感謝所有支持過(guò)本人的朋友、家人和親戚。
書(shū)中的錯(cuò)誤在所難免，期望廣大讀者諒解，并提出建設(shè)性的意見(jiàn)，以幫助作者在本書(shū)再版時(shí)訂正。
為便于讀者分析、理解內(nèi)容，對(duì)于一些重要的彩色圖，均附于書(shū)后的插頁(yè)中，對(duì)于未在插頁(yè)中列出的彩色圖，如認(rèn)為有必要，歡迎讀者通過(guò)電子郵件向作者索取，作者電子郵箱為：fangl@mail.xjtu.edu.cn。
方亮
前言
第1章緒論1
1.1分子動(dòng)力學(xué)模擬的發(fā)展歷史1
1.2分子動(dòng)力學(xué)模擬的應(yīng)用與意義2
1.3分子動(dòng)力學(xué)模擬的發(fā)展趨勢(shì)4
參考文獻(xiàn)6
第2章分子動(dòng)力學(xué)的原理與方法10
2.1分子動(dòng)力學(xué)原理10
2.1.1N原子系統(tǒng)11
2.1.2Verlet算法12
2.1.3Velocity-Verlet算法12
2.1.4初始位置和速度13
2.1.5時(shí)間步長(zhǎng)13
2.1.6總模擬時(shí)間14
2.1.7系綜類型14
2.1.8溫度和壓力控制14
2.1.9能量小化15
2.2分子間相互作用與勢(shì)函數(shù)16
2.2.1對(duì)勢(shì)16
2.2.2Morse勢(shì)17
2.2.3SW勢(shì)函數(shù)17
2.2.4Tersoff勢(shì)函數(shù)18
2.2.5 EAM勢(shì)函數(shù)19
2.3周期性邊界條件20
2.4分子動(dòng)力學(xué)模擬工具21
2.5缺陷的分析及可視化23
2.5.1缺陷的分析識(shí)別方法23
2.5.2可視化方法25
參考文獻(xiàn)25
第3章納米壓入過(guò)程模擬28
3.1概論28
3.2納米壓入原理和試驗(yàn)28
3.3分子動(dòng)力學(xué)模擬納米壓入過(guò)程37
3.3.1模擬方法38
3.3.2納米力學(xué)行為及性能39
3.3.3塑性變形機(jī)理43
3.4單晶銅納米壓入的彈性回復(fù)行為46
3.4.1引言46
3.4.2分子動(dòng)力學(xué)模型以及單晶銅力學(xué)參量47
3.4.3恒定速度加載條件下的彈性回復(fù)48
3.4.4恒定載荷速率加載條件下的彈性回復(fù)54
3.4.5單晶銅的蠕變和應(yīng)力松弛現(xiàn)象60
3.4.6小結(jié)61
3.5單晶硅的納米壓入行為62
3.5.1相識(shí)別和表征方法62
3.5.2納米壓痕中單晶硅的相變65
3.6單晶納米線的拉伸行為68
3.6.1引言68
3.6.2模型及方法69
3.6.3模擬結(jié)果70
參考文獻(xiàn)79
目錄第4章空氣條件下納米磨料磨損行為83
4.1概論83
4.2磨料磨損基本理論83
4.3空氣條件下納米尺度單晶銅的二體磨料磨損85
4.3.1單晶銅二體磨料磨損模型構(gòu)建85
4.3.2單晶銅二體磨料磨損分子動(dòng)力學(xué)87
4.4空氣條件下納米尺度單晶銅的三體磨料磨損97
4.4.1單晶銅三體磨料磨損的分子動(dòng)力學(xué)模型97
4.4.2恒載下單晶銅的三體磨料磨損模型102
4.4.3納米橢球形磨料滾滑判據(jù)104
4.4.4空氣下單晶銅的納米三體磨料磨損111
4.5空氣條件下納米尺度單晶硅的磨料磨損122
4.5.1單晶硅磨料磨損分子動(dòng)力學(xué)模擬方法122
4.5.2單晶硅磨料磨損行為125
4.5.3單晶硅納米磨料磨損時(shí)的塑性變形130
4.5.4納米磨料磨損中單晶硅的相變131
4.5.5單晶硅相變的應(yīng)力機(jī)理136
4.5.6小結(jié)139
參考文獻(xiàn)140
第5章含水膜條件下單晶銅納米薄膜材料的磨損行為143
5.1概論143
5.2單晶銅含水膜的納米壓入行為143
5.2.1引言143
5.2.2模型與模擬方法144
5.2.3水膜對(duì)單晶銅塑性變形的影響145
5.2.4壓入方式對(duì)單晶銅塑性變形的影響151
5.2.5單晶銅應(yīng)力松弛與彈性回復(fù)158
5.2.6小結(jié)163
5.3單晶銅含水膜的二體磨料磨損163
5.3.1模型與模擬方法163
5.3.2水膜對(duì)摩擦力的影響165
5.3.3單晶銅表面形貌167
5.3.4單晶銅塑性變形170
5.3.5單晶銅磨損評(píng)價(jià)173
5.3.6單晶銅單原子層磨料磨損機(jī)理174
5.3.7小結(jié)184
5.4單晶銅含水膜的三體磨料磨損185
5.4.1引言185
5.4.2模型與模擬方法185
5.4.3磨料形狀對(duì)單晶銅三體磨料磨損的影響187
5.4.4載荷對(duì)單晶銅三體磨料磨損的影響196
5.4.5驅(qū)動(dòng)速度對(duì)單晶銅三體磨料磨損的影響202
5.4.6小結(jié)206
5.5含水膜的納米三體磨料磨損理論模型207
5.5.1引言207
5.5.2含水條件下磨料運(yùn)動(dòng)方式的理論模型208
5.5.3含水條件下磨料滾滑判據(jù)的討論與分析211
5.5.4彈性回復(fù)對(duì)磨料運(yùn)動(dòng)方式的影響215
5.5.5多因素耦合的磨料滾滑判據(jù)216
5.5.6小結(jié)217
參考文獻(xiàn)218
第6章化學(xué)機(jī)械拋光過(guò)程的分子動(dòng)力學(xué)222
6.1概論222
6.2SiO2/Si雙層納米材料的壓痕行為222
6.2.1引言222
6.2.2小壓痕下納米壓痕行為223
6.2.3大壓痕下納米壓痕行為233
6.2.4壓痕速度對(duì)SiO2/Si納米材料的影響244
6.2.5小結(jié)253
6.3SiO2/Si雙層納米材料的蠕變及應(yīng)力松弛行為253
6.3.1引言253
6.3.2蠕變行為254
6.3.3應(yīng)力松弛行為264
6.3.4小結(jié)270
6.4SiO2/Si雙層納米材料的摩擦磨損行為271
6.4.1引言271
6.4.2建模272
6.4.3載荷及薄膜厚度對(duì)摩擦力的影響273
6.4.4材料去除行為及表面質(zhì)量分析276
6.4.5磨料尺寸對(duì)摩擦磨損的影響285
6.4.6磨料種類對(duì)磨損的影響287
6.4.7SiO2磨料性質(zhì)對(duì)摩擦磨損的影響288
6.4.8去除模型293
6.4.9小結(jié)294
參考文獻(xiàn)295
第7章晶界對(duì)納米多晶銅力學(xué)性能的影響301
7.1概論301
7.2基于多相場(chǎng)理論構(gòu)建多晶體系302
7.2.1多相場(chǎng)理論簡(jiǎn)介302
7.2.2多晶銅晶粒生長(zhǎng)模型302
7.2.3三維多相場(chǎng)并行求解304
7.2.4MD模擬方法及參數(shù)簡(jiǎn)介306
7.3相場(chǎng)模型和規(guī)整多晶對(duì)比308
7.3.1引言308
7.3.2力學(xué)特性及變形行為對(duì)比分析309
7.3.3晶界應(yīng)力集中對(duì)比分析310
7.3.4位錯(cuò)及HCP結(jié)構(gòu)(SFs和TBs）對(duì)比分析311
7.3.5不同晶粒尺寸下多晶銅膜的變形機(jī)制313
7.3.6力學(xué)特性及變形行為314
7.3.7孿晶對(duì)晶粒變形的影響315
7.3.8孿晶與HCP結(jié)構(gòu)(SFs和TBs）的相互作用316
7.3.9小結(jié)318
7.4不同應(yīng)變率和溫度下多晶銅變形機(jī)制318
7.4.1引言318
7.4.2不同應(yīng)變率下力學(xué)特性及變形行為319
7.4.3不同溫度下力學(xué)特性及變形行為323
7.4.4晶界活動(dòng)對(duì)力學(xué)特性的影響326
7.4.5變形機(jī)制及影響晶界活動(dòng)的因素327
7.4.6小結(jié)332
7.5不同晶粒尺寸的三維多晶銅變形機(jī)制333
7.5.1引言3
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