振动维度对SiC陶瓷纳米尺度去除行为的影响机制：对流冲击效应与切屑分离

针对SiC陶瓷超精密加工中振动模式对材料去除机制的影响不明确问题，研究人员通过分子动力学（MD）模拟，系统分析了一维至三维振动辅助微磨削下SiC的塑性流动、非晶化转变及切屑分离行为，揭示了振动方向与参数对材料去除效率、磨粒磨损的调控机制，为优化振动辅助加工工艺提供了理论依据。

　　

碳化硅（SiC）陶瓷因其高硬度、耐磨损和化学稳定性，成为航空航天、半导体器件的理想材料。然而，其超精密加工面临巨大挑战——传统磨削易引发脆性断裂，而振动辅助加工虽能提升表面质量，但振动维度（如轴向、径向或复合振动）对材料纳米尺度去除行为的影响机制尚不明确。例如，振动如何调控SiC的非晶化转变？切屑分离是否遵循特定动力学规律？这些问题直接关系到工艺参数的优化设计。

针对上述问题，江苏大学的研究团队在《Surfaces and Interfaces》发表研究，通过分子动力学（MD）模拟，首次构建了包含α-SiC（6H、4H型）和β-SiC（3C型）的多晶模型，系统比较了一维（1D）、二维（2D）和三维（3D）振动辅助微磨削下SiC的变形机制。研究采用LAMMPS软件，设置周期性边界条件，模拟了不同振动方向（切向、垂直、复合）与加工方向的耦合效应，并分析了原子尺度下的非晶化、位错演化和切屑喷射行为。

主要研究结果

1. 振动加载模式与加工方案
通过对比1D（单轴）、2D（双轴）和3D（三轴）振动，发现垂直振动（Z轴）更易诱导材料非晶化，而切向振动（X轴）促进切屑连续分离。3D复合振动则通过多向应力叠加，显著降低磨削力。

2. 加工表面形貌与变形机制
振动未改变SiC以非晶化为主导的变形模式，但振动维度影响亚表面缺陷分布。例如，2D振动下非晶层厚度减少30%，且残余晶体碎片更少，表明复合振动可抑制亚表面损伤。

3. 切屑分离的动力学过程
首次提出五阶段分离模型：晶粒推进挤压→非晶化→工具回退→非晶相膨胀喷射→切屑分离。其中，对流冲击效应（convection impact effect）是关键驱动力，3D振动下非晶相喷射速度提升50%。

4. 振动对磨削效率的影响
垂直振动通过增强磨粒冲击深度，使材料去除率提高20%；而切向振动通过剪切主导的流动，减少磨粒粘附磨损。

结论与意义
该研究揭示了振动维度通过调控非晶化动力学和切屑分离行为，直接影响SiC陶瓷的加工效率与表面完整性。3D复合振动被证明是平衡材料去除率与表面质量的最优方案。成果为振动辅助加工工艺的智能化设计提供了原子尺度理论支撑，尤其对SiC光学元件、半导体衬底的高效低损伤加工具有重要指导价值。作者团队进一步指出，未来需结合原位实验验证MD模拟的临界载荷阈值，并探索振动参数与非晶层厚度的定量关系。