摘要
石英玻璃具有优良的物化性能，如良好的耐热稳定性和耐高温性能、热膨胀系数小、耐酸腐蚀性能强等，从而被广泛地应用于各种高科技领域。然而，优异性能的发挥需要良好的加工质量作为支撑，应用于高科技领域的石英玻璃的加工精度已达到纳米级。在如此微观的尺度下，宏观层面的加工机理已不完全适用，需要研究其微观加工机理。此外，不合理的工艺参数易在石英玻璃表面形成局部致密化层，影响其光学性能。由于实验设备和检测装置的限制，难以实现在加工过程中对结构和密度变化等因素进行实时检测。因此反应分子动力学被应用到石英玻璃的微观加工机理的研究中，与实验研究互为补充，为材料加工的微观机理提供理论指导。 为了削弱加工中的致密化对于石英玻璃应用的影响，本文主要利用反应分子动力学方法，研究石英玻璃在划擦过程中致密化的产生演化机理、已产生局部致密化的石英玻璃的致密化层的去除机理，并设计实验验证仿真结论。 首先建立起单颗粒划擦模型来研究石英玻璃在划擦中致密化的产生演化。基于该模型发现石英玻璃的密度对划擦深度更加敏感。同时，发现水分子可以促进石英玻璃划擦后的体积恢复，这依赖于H原子以在石英玻璃中Si-O-H···O-Si的形式传递。此外，水分子对原子在表面的塑性流动有抑制作用，对在垂直方向的塑性流动有促进作用。 然后建立起局部致密化石英玻璃化学机械抛光仿真模型，研究致密化层对化学机械抛光过程的影响。仿真发现致密化能够阻碍石英玻璃的表面的改性，而机械作用可以在一定程度上促进表面改性，在机械和化学共同的作用下，随着H2O2浓度的升高，原子的去除速度迅速上升；随着H2O2浓度的升高，原子的去除形式从长链向短链、从大团簇向小团簇转变。仿真中，压力对抛光后的密度分布影响较大，2GPa的抛光压力能够在一定程度上去除石英玻璃的致密化层，但是材料去除效率低。 最后，对石英玻璃开展了研磨和抛光实验。研磨阶段利用金刚石磨粒引入致密化，在抛光阶段，分析了不同压力对致密化层去除的影响，发现较低的压力可以去除致密化层，但效率较低；较高的压力可以去除研磨阶段产生的致密化层，但会造成新的致密化。实验结果和仿真中关于压力的结论有较好的吻合性。 本文的研究成果为理解致密化的演化机理即控制方法提供了理论指导。
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