综述：面向原子尺度表面工程的分子动力学模拟：迈向智能自适应制造

《Journal of Manufacturing Processes》：Molecular dynamics simulations for atomic-scale surface engineering toward intelligent adaptive manufacturing

　　

摘要

分子动力学（MD）模拟已成为阐明先进精密制造和纳米精加工过程中主导材料行为与表面完整性的原子尺度机制的重要工具。MD 通过直接解析键断裂、缺陷成核、位错运动、相变、界面粘附、摩擦生热、热边界阻力（TBR）、声子散射以及在极端应变速率和热梯度下的热影响区（HAZ）演变，提供了连续介质模型无法触及的基本见解。这种原子尺度的理解对于实现无缺陷表面和启用下一代智能自适应制造系统至关重要。本综述综合了 MD 在关键工艺中的最新应用，包括化学机械抛光（CMP）、磨料流加工（AFM）、激光辅助表面工程、超声辅助精加工（UAF）、挤压光整、原子层沉积（ALD）、聚焦离子束（FIB）铣削、等离子体辅助精加工、电化学加工（ECM）、磁流变精加工（MRF）、离子束修形（IBF）和纳米压印光刻（NIL）。特别强调机械、摩擦学和热学现象的耦合、不同原子间势的优缺点、与多尺度框架和机器学习的整合，以及对实验验证的迫切需求。本文还阐述了稳健的研究发现、相互矛盾的理论预测以及尚存的空白。此外，还勾勒出了利用 MD 模拟在数字孪生和智能自适应制造系统中实现无缺陷原子尺度表面工程长期目标的前瞻性路线图。

章节片段

缩写词表

缩写	全称
MD	分子动力学
CMP	化学机械抛光
AFM	磨料流加工
HAFF	混合磨料流精加工
UAF	超声辅助精加工
ALD	原子层沉积
FIB	聚焦离子束
IBF	离子束修形
NIL	纳米压印光刻
ECM	电化学加工
MRF	磁流变精加工
ECMP	电化学化学机械抛光
EAM	嵌入原子方法
MEAM	改进的嵌入原子方法
LJ	Lennard-Jones（伦纳德-琼斯势）
ReaxFF	反应力场
PBC	周期性边界条件
NVE

分子动力学在制造中的基本原理

分子动力学（MD）模拟通过原子间势计算作用在每个原子上的力，从而求解每个原子的牛顿运动方程。虽然基础物理是标准的，但与制造相关的应用需要仔细选择能够准确捕捉高应变速率（${10}^9$–${10}^{10}$ s^?1）、摩擦生热、热边界阻力（TBR）、声子散射以及在精密精加工过程中热影响区（HAZ）演变的可靠方法。分子动力学

MD 在制造中的机制洞察：一种工艺无关的视角

分子动力学（MD）模拟为阐明主导先进制造工艺的原子尺度机制提供了关键洞察，提供了一种超越特定技术的工艺无关视角。如图 10 所示，这些洞察被组织为三个相互关联的类别：热效应和机械效应、界面与粘附现象、以及共同决定表面完整性、材料去除和功能性能的工艺特异性机制。

与多尺度及混合建模框架的整合

多尺度及混合建模框架将分子动力学（MD）模拟与宏观模型相结合，以连接原子尺度和连续介质尺度，从而增强对先进制造工艺的预测准确性。应用于新兴前沿领域（量子-经典混合优化和增材制造）[25], [354], [355], [356]。机器人加工中的重力与摩擦补偿定位与 MD 启发的接触模型相一致 [357]。这些框架对于

结论与未来方向

分子动力学（MD）模拟已成熟为一个强大的工艺无关平台，用于揭示主导先进制造和纳米精加工过程中材料去除、表面完整性、亚表面损伤和功能性能的原子尺度机制。本综述首次综合了横跨十二个关键工艺的 MD 研究综合成果：化学机械抛光（CMP）、磨料流加工（AFM）和纳米磨削、激光辅助表面

CRediT 作者贡献声明

Abdul Wahab Hashmi: 撰写——原稿撰写、软件、形式分析。Yebing Tian: 监督、资源。M. Ijaz Khan: 撰写——审稿与编辑、验证。Mamilla Ravi Sankar: 软件、方法论、调查。Jinoop Arackal Narayanan: 撰写——原稿撰写、可视化、调查。Sunil Pathak: 资源、调查、概念构思。Ana Pilar Valerga Puerta: 撰写——审稿与编辑、验证、项目管理。Farkhod Alisherov: 软件、方法论，

作者贡献

所有作者对研究工作均有同等贡献。

资金支持

未获得任何内部/外部资金支持。

利益冲突声明

作者声明他们不存在任何可能被认为影响本文所述工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本研究得到以下资助：国家自然科学基金（编号 52575516、51875329）、山东省泰山学者专项基金（编号 tstp20240826、tsqn201812064）、宁夏回族自治区重点研发项目（编号 2024BEE02019）以及山东省自然科学基金（编号 ZR2023ME112）。

Abdul Wahab Hashmi|Yebing Tian|M. Ijaz Khan|Mamilla Ravi Sankar|Jinoop Arackal Narayanan|Sunil Pathak|Ana Pilar Valerga Puerta|Farkhod Alisherov|Jashanpreet Singh