吳 悠，鄒 斌，王俊成，黃傳真，朱洪濤，姚 鵬

(1.山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院先進(jìn)射流工程技術(shù)研究中心，濟(jì)南 250061；2.山東大學(xué)高效潔凈機(jī)械制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 濟(jì)南 250061；3.山東大學(xué)機(jī)械工程國家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，濟(jì)南 250061)

0 引 言

近年來，微結(jié)構(gòu)光學(xué)元件因其在信息通信領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用受到越來越多的關(guān)注。模壓是制造光學(xué)玻璃元件常用的方法之一。模壓過程中，一方面模具上精準(zhǔn)的幾何結(jié)構(gòu)復(fù)印到了玻璃元件上；另一方面玻璃元件與模壓模具之間的摩擦與粘附造成了模具的磨損，從而導(dǎo)致模具幾何結(jié)構(gòu)精度的喪失。這些均為模具與工件的固液界面相互接觸、相對(duì)運(yùn)動(dòng)作用的結(jié)果。因此，有必要研究它們的接觸特性，從而對(duì)模具結(jié)構(gòu)和模壓工藝的設(shè)計(jì)提供一定的指導(dǎo)。潤濕是能夠?qū)崿F(xiàn)模壓的先決條件，而接觸角是表征潤濕性的主要參數(shù)。對(duì)于理想光滑表面的接觸角模型，Young[1]從固、液、氣界面張力平衡的角度建立了經(jīng)典的楊氏方程。對(duì)于粗糙表面和非均質(zhì)表面，Wenzel[2]和Cassie[3]等學(xué)者在楊氏方程的基礎(chǔ)上分別建立了Wenzel和Cassie-Baxter模型。Wenzel潤濕模式中，液體始終完全浸漬粗糙結(jié)構(gòu)波谷中，即出現(xiàn)所謂“釘扎”現(xiàn)象。而在模壓工藝中，這一現(xiàn)象增大了工件液相在模具表面流動(dòng)的阻力，從而增大了固液摩擦，使得模具更易磨損。而Cassie-Baxter潤濕模式認(rèn)為由于粗糙結(jié)構(gòu)波谷中存在氣相，液體無法浸漬其中，因此是模壓比較期望的潤濕模式。

在光學(xué)玻璃材料中，石英玻璃的光學(xué)性能有其獨(dú)特之處。它既可以透過遠(yuǎn)紫外光譜，且透射率在同類材料中最優(yōu)，又可透過可見光和近紅外光譜。同時(shí)，其機(jī)械性能也高于普通玻璃[4]。目前，石英玻璃光學(xué)元件的制造多采用超精密磨削或是激光刻蝕的方法，生產(chǎn)效率低，生產(chǎn)成本高。而模壓方法可以提高加工效率，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。然而，由于石英玻璃軟化點(diǎn)溫度高達(dá)1 500～1 600 ℃，常用的模具材料如WC等在此溫度下無法正常工作，而SiC熱穩(wěn)定性好，熔點(diǎn)達(dá)2 830 ℃[5]，故較為適合作為模壓石英玻璃的模具材料。由于模壓溫度高，超出了目前接觸角測(cè)量儀器的工作范圍，并且微結(jié)構(gòu)模具表面粗糙度達(dá)到納米級(jí)，要研究粗糙度對(duì)潤濕性的影響需要測(cè)量納米尺度微液滴的接觸角，因此試驗(yàn)測(cè)定比較困難。分子動(dòng)力學(xué)方法使微納液滴高溫接觸角的模擬及研究其成因機(jī)理成為可能。

徐威等[6]通過改變LJ勢(shì)函數(shù)中的作用參數(shù)模擬了納米水滴在不同能量表面上的鋪展過程和潤濕形態(tài)，模擬結(jié)果與經(jīng)典潤濕理論計(jì)算得到的結(jié)果呈現(xiàn)相似變化趨勢(shì)。王龍[7]研究了銅和金液滴在石墨烯和碳納米管等不同結(jié)構(gòu)基底上的潤濕和融合過程，發(fā)現(xiàn)金屬液滴的融合受液滴形狀和基底結(jié)構(gòu)影響。由于勢(shì)函數(shù)的限制，目前對(duì)于界面潤濕的分子動(dòng)力學(xué)模擬多集中于LJ流體，如水和液氬等，而多元素流體較少見于報(bào)道。勢(shì)函數(shù)按多體作用的復(fù)雜程度可分為對(duì)勢(shì)和多體勢(shì)。對(duì)于石英玻璃的模擬，多體勢(shì)不能較好地計(jì)算Si-O鍵的斷裂，因此不利于高溫動(dòng)力學(xué)性能的研究[8]。Beest等[9]基于石英玻璃經(jīng)典的BMH勢(shì)提出了BKS勢(shì)，并運(yùn)用第一性原理方法結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合了參數(shù)。Sundararaman等[10]使用BKS勢(shì)預(yù)測(cè)了石英玻璃的力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)當(dāng)短程和長程截止半徑分別為5.5 ?和10 ?時(shí)模擬的石英玻璃結(jié)構(gòu)更符合實(shí)際。Demiralp等[11]首先將Morse勢(shì)與電荷平衡法(QEq)相結(jié)合，建立了MS-Q力場(chǎng)，并研究了石英玻璃在壓力變化過程中的相變。丁元法等[12]比較了BKS與MS-Q模型下石英玻璃的高溫?cái)U(kuò)散特性，認(rèn)為計(jì)算高溫下石英玻璃的擴(kuò)散傳輸性能可優(yōu)先選擇MS-Q力場(chǎng)，但并未比較其表面特性。從以上文獻(xiàn)可以看出，BKS和MS-Q是石英玻璃分子動(dòng)力學(xué)模擬中常用的對(duì)勢(shì)。其中，BKS勢(shì)從低溫到高溫的較大溫度范圍均具有較好性能，而MS-Q勢(shì)在高溫下的傳輸性能要優(yōu)于BKS勢(shì)。目前對(duì)于石英玻璃高溫表面特性的模擬的報(bào)道較為少見，因此仍需要對(duì)兩種勢(shì)函數(shù)性能的優(yōu)劣進(jìn)行比較。

Hosseini等[13]研究了不同形貌的疏水表面上的水滴行為，發(fā)現(xiàn)表面形貌、柱高度、空隙率和沉積角是影響表面疏水性的主要參數(shù)。因此，本模擬在SiC表面構(gòu)建了納米方柱陣列，并分別使用粗糙度評(píng)定參數(shù)Ra和Rmr表示柱高和空隙率，研究了納米級(jí)表面粗糙結(jié)構(gòu)對(duì)面向高溫模壓的SiO2/SiC接觸角的影響。

本文使用分子動(dòng)力學(xué)方法，對(duì)比了分別采用BKS和MS-Q勢(shì)函數(shù)計(jì)算的SiO2熔體高溫表面張力。模擬了不同模壓溫度和SiC模具表面粗糙結(jié)構(gòu)SiO2的高溫接觸角，研究了微尺度下的高溫界面潤濕特征和SiO2熔體表面層結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本研究的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

1 模擬方法和模型

1.1 界面張力的計(jì)算

為了保證成形精度并減小工件與模具的粘附，光學(xué)玻璃模壓溫度一般選擇在轉(zhuǎn)變點(diǎn)溫度到軟化點(diǎn)溫度之間[14]，故選擇石英玻璃實(shí)際軟化點(diǎn)附近溫度1900 K作為模擬溫度。SiO2表面張力模擬系統(tǒng)如圖2所示。SiO2熔體表面模型的建立方法是在模擬盒子中隨機(jī)加入800個(gè)Si原子和1 600個(gè)O原子，使其密度約為2.2 g/cm3。隨后在5 000 K下馳豫200 ps以消除初始構(gòu)型的影響，并以100 K/20 ps的速度降溫至1 900 K。最后在x軸方向模型兩邊各添加一厚度為20 ?的真空層，以避免周期性邊界的影響。面向高溫模壓的SiO2/SiC界面張力模擬系統(tǒng)如圖3(c)所示，其中SiC是由金剛石結(jié)構(gòu)的β-SiC原胞排列而成。分別將SiO2和SiC單獨(dú)在1 900 K下馳豫200 ps，然后將它們添加進(jìn)同一模擬盒子中，使SiO2與SiC {100}表面接觸并對(duì)整個(gè)體系進(jìn)行馳豫。

圖1 基于分子動(dòng)力學(xué)的SiC模具高溫模壓石英玻璃的物相接觸角模擬研究關(guān)系框圖
Fig.1 Study relationship of high temperature contact angle of molded optical glass in SiC die based on molecular dynamics

圖2 SiO2熔體表面張力模擬計(jì)算體系
Fig.2 Simulation system of SiO2melt surface tension

圖3 SiO2/SiC高溫界面張力模擬計(jì)算體系
Fig.3 Simulation system of SiO2/SiC high temperature interface tension

表面與界面張力的計(jì)算均采用壓力張量法[15]，

(1)

式中，γ表示表面張力；Lx為模擬體系在x方向的長度;因子1/2是由于模擬系統(tǒng)有兩個(gè)界面；PN與PT分別為系統(tǒng)界面法向和切向壓力張量分量。

(2)

(3)

式中，kB為玻爾茲曼常數(shù)；V為模擬盒子體積；U表示勢(shì)函數(shù);ρ為液體密度；T為溫度；r為原子間距，x、y、z為其在三個(gè)坐標(biāo)軸方向的分量。

為了比較不同勢(shì)函數(shù)模擬界面張力的可靠性，在模擬中，SiO2原子間的相互作用先后用BKS[10]和MS-Q[11]勢(shì)函數(shù)進(jìn)行表征如下，勢(shì)函數(shù)參數(shù)見表1。

(4)

(5)

式中，q表示電荷量；A、C、D均為與相互作用強(qiáng)度有關(guān)的參數(shù)；α為與平衡距離有關(guān)的參數(shù)。

表1 SiO2勢(shì)函數(shù)參數(shù)Table 1 Parameters of potentials for SiO2

SiC原子間的相互作用使用tersoff勢(shì)函數(shù)表征。由于SiO2/SiC界面間為范德華作用，因此使用LJ勢(shì)函數(shù)表征，其參數(shù)來自于UFF力場(chǎng)[16]，如表2所示。

表2 SiO2/SiC勢(shì)函數(shù)參數(shù)Table 2 Parameters of potential for SiO2/SiC interaction

模擬過程中，模擬盒子三個(gè)方向均為周期性邊界。BKS勢(shì)函數(shù)Si和O原子所帶電荷分別為+2.4e、-1.2e，截?cái)喟霃綖?.5 ?；MS-Q勢(shì)函數(shù)Si和O原子所帶電荷分別為+1.318e、-0.659e，截?cái)喟霃綖? ?。靜電力的計(jì)算采用PPPM(Particle-Particle Particle-Mesh)方法且精度為10-5，截?cái)喟霃綖?0 ?。時(shí)間步長為1 fs。模擬均在正則系綜(NVT)下進(jìn)行，調(diào)溫使用Nosé-Hoover方法。

1.2 接觸角的模擬

圖4 面向高溫模壓的SiO2/SiC接觸角模擬系統(tǒng)Fig.4 Simulation system of SiO2/SiC contact angle for high temperature molding

在模擬系統(tǒng)中SiO2與SiC分別為液相和固相，其中，SiC基底為SiC單胞排列而成的超晶胞，對(duì)其作出三點(diǎn)假設(shè)：(1)假設(shè)SiC表面為不存在缺陷的理想表面；(2)由于SiC不同晶面表面能相差較小，假設(shè)其{100}晶面為與SiO2相接觸的表面；(3)假設(shè)SiO2熔體液滴為理想的球形。接觸角的模擬系統(tǒng)如圖4所示，首先在半徑2.348 ?的球體區(qū)域隨機(jī)添加1 200個(gè)Si原子和2 400個(gè)O原子，隨后在5 000 K下馳豫200 ps并以100 K/20 ps的速度降溫至1 900 K得到模擬所用的SiO2液滴模型。最后將SiO2和SiC添加進(jìn)同一模擬盒子，x、y方向使用周期性邊界，z方向使用固定和鏡像邊界，其他設(shè)置與上一節(jié)相同。

圖5 微結(jié)構(gòu)陣列模具表面多尺度形貌示意圖Fig.5 Multiscale surface topography of micro-structure array die

為了研究納米級(jí)表面粗糙結(jié)構(gòu)對(duì)接觸角的影響，采用文獻(xiàn)[13]的方法構(gòu)建了方柱形陣列SiC壁面。其結(jié)構(gòu)如圖5所示。Wenzel[2]和Cassie-Baxter[3]模型可用式(6)、(7)表示：

cosθW=rcosθY

(6)

cosθC=fcosθY+f-1

(7)

式中,θY為本征接觸角；θW與θC為Wenzel和Cassie-Baxter模型接觸角;r為粗糙度因子，表示表面的實(shí)際面積與表觀面積之比；f為接觸面積分?jǐn)?shù)，表示液滴與基底實(shí)際接觸的面積和基底表觀面積之比。r與f可用粗糙度評(píng)定參數(shù)表示為

(8)

f=Rmr2

(9)

式中,Ra為輪廓算數(shù)平均偏差，Rmr為輪廓支承長度率，Sm為輪廓微觀不平度的平均間距。模擬中若Rmr、Sm取恒值，則Ra取0.25、0.5、1、1.5倍晶格參數(shù)，分別對(duì)應(yīng)r值為1.5、2.0、3.0、4.0；若Ra取恒值，改變柱間距為2、1.5、1、0.5倍晶格參數(shù)使Rmr取0.33、0.40、0.50、0.67，分別對(duì)應(yīng)f值為0.11、0.16、0.25、0.44。

2 模擬結(jié)果與討論

2.1 界面張力

圖6為1 900 K下BKS與MS-Q模型中SiO2熔體表面張力隨時(shí)間的演化。由于使用壓力張量法時(shí)系統(tǒng)需要較長時(shí)間穩(wěn)定，模擬連續(xù)進(jìn)行了20 ns。為了降低模擬初期結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的影響，在計(jì)算累計(jì)平均值時(shí)采用最后10 ns數(shù)據(jù)。BKS與MS-Q勢(shì)函數(shù)的計(jì)算結(jié)果分別為0.410 N/m和0.390 N/m。由文獻(xiàn)[17]可知，SiO2在1 900 K下的實(shí)際表面張力應(yīng)為0.302 N/m左右。考慮到模擬本身的準(zhǔn)確性以及實(shí)際實(shí)驗(yàn)過程中，氧分子等充當(dāng)表面活性劑降低了測(cè)定的表面張力值，因此模擬值高出實(shí)驗(yàn)值0.07～0.11 N/m左右是可接受的[18]?？梢钥闯鯩S-Q勢(shì)函數(shù)的模擬結(jié)果比BKS勢(shì)函數(shù)更為接近實(shí)驗(yàn)值。

圖6 BKS勢(shì)函數(shù)與MS-Q勢(shì)函數(shù)下SiO2熔體表面張力演化
Fig.6 Evolution of SiO2melt surface tension using BKS potential and MS-Q potential

圖7為兩種不同勢(shì)函數(shù)模擬的面向模壓的SiO2/SiC高溫界面張力演化圖。界面張力系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定時(shí)間相對(duì)較短，因此模擬時(shí)間設(shè)為15 ns，取最后4.5 ns時(shí)間段的數(shù)據(jù)計(jì)算平均值。從圖中可見，BKS和MS-Q勢(shì)函數(shù)的模擬結(jié)果分別為0.846 N/m和0.682 N/m。同時(shí)，計(jì)算了兩種表面模型的一維密度分布和徑向分布函數(shù)(Radial Distribution Function,RDF)。圖8(a)為模型中心至模擬盒子邊緣的密度分布，BKS與MS-Q模型的表面均存在類似汽液共存界面的低密度相，其厚度分別為4 ?與6 ?。BKS模型內(nèi)部的密度約為2.69 g/cm3，大于MS-Q的2.25 g/cm3。這說明BKS表面模型的密度大于MS-Q模型，因此原子間距要小于MS-Q模型，具有更強(qiáng)的原子間作用力，從而具有更大的表面張力。圖8(b)中RDF的計(jì)算結(jié)果也支持了這一解釋。RDF圖中前三個(gè)峰代表O-O、Si-O、Si-Si原子對(duì)的第一近鄰，峰值點(diǎn)的橫坐標(biāo)即原子對(duì)的鍵長，其數(shù)值如圖8(b)所示，MS-Q模型中數(shù)量較多且強(qiáng)度較大的Si-O、O-O鍵長均大于BKS模型，從而導(dǎo)致其表面張力小于BKS模型。綜上所述，高溫模壓時(shí)SiO2表面性質(zhì)的模擬可優(yōu)先選擇MS-Q勢(shì)函數(shù)。

圖7 面向高溫模壓的SiO2/SiC界面張力演化過程
Fig.7 Evolution of SiO2/SiC interface tension for high temperature molding

圖8 使用BKS與MS-Q勢(shì)函數(shù)的SiO2表面結(jié)構(gòu)對(duì)比
Fig.8 Comparison of SiO2surface structure using BKS and MS-Q potential

2.2 表面粗糙結(jié)構(gòu)對(duì)接觸角的影響

液滴在理想光滑表面上的接觸角稱為本征接觸角。由于微納尺度下液滴表面存在一定的密度和壓力漲落，為了獲得具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的接觸角值，在處理數(shù)據(jù)時(shí)采用等密度擬合曲線法[19]。最后得到面向高溫模壓的SiO2/SiC的本征接觸角為119.25°。根據(jù)楊氏方程[1]，可以利用上節(jié)模擬得到的界面張力對(duì)本征接觸角進(jìn)行檢驗(yàn)。

(10)

式中,γsv表示固-氣界面能；γsl與γlv分別表示固-液界面能和氣-液界面能，它們?cè)跀?shù)值上與固-液界面張力和液體表面張力相等。由上節(jié)可知，γsl和γlv的值分別為0.682 N/m和0.390 N/m。由于本模擬中采用的SiO2/SiC相互作用參數(shù)來自UFF力場(chǎng)，因此選擇文獻(xiàn)[20]中使用UFF力場(chǎng)算得的SiC{100}晶面表面能數(shù)值0.502 N/m代入式(10)。最終得到的本征接觸角理論值為117.49°，與模擬數(shù)值差別不大。

圖9是SiO2熔體在具有不同粗糙度因子的SiC模具表面上接觸角的模擬，從圖中可見，接觸角總體值在135°左右波動(dòng)。接觸角變化不大則表明固液相互作用能較為穩(wěn)定，但圖9(b)顯示，在r=1.5時(shí)固液相互作用能較大。由圖10可以看出，當(dāng)粗糙度因子r=1.5時(shí)，SiO2熔體浸潤了溝槽，出現(xiàn)“釘扎”現(xiàn)象，此時(shí)潤濕接近于Wenzel狀態(tài)?！搬斣爆F(xiàn)象增強(qiáng)了固液界面的摩擦，液滴的鋪展需要克服更大的能壘，因此雖然固液相互作用能較大但并未使液滴接觸角減??；r>1.5時(shí)，SiO2均處于Cassie-Baxter潤濕狀態(tài)，因此接觸角不再受粗糙度因子變化的影響。從Cassie-Baxter狀態(tài)到Wenzel狀態(tài)的過渡稱為潤濕轉(zhuǎn)變。潤濕轉(zhuǎn)變可以通過施加壓力實(shí)現(xiàn)，但臨界轉(zhuǎn)變壓力會(huì)隨著納米柱的高度減小而減小[21]；當(dāng)其減小到一定程度，就可能僅僅依靠系統(tǒng)壓力實(shí)現(xiàn)潤濕轉(zhuǎn)變。本研究中，當(dāng)r>1.5時(shí)系統(tǒng)壓力無法使液滴保持Wenzel狀態(tài)，因此轉(zhuǎn)變?yōu)镃assie-Baxter狀態(tài)；而此狀態(tài)下，界面的固液相互作用比Wenzel狀態(tài)更低，液滴在固體表面的擴(kuò)散系數(shù)變小[22]，說明此時(shí)SiO2熔體在剪切作用下更易在SiC模具表面滑移，從而導(dǎo)致粘性摩擦作用較小。

圖9 SiC模具表面粗糙度對(duì)SiO2熔體液滴接觸角和兩者相互作用能的影響
Fig.9 Effect of SiC die roughness on contact angle of SiO2melt droplet and interaction energy

圖10 SiC模具表面粗糙度對(duì)SiO2熔體液滴 接觸狀態(tài)的影響
Fig.10 Effect of SiC die roughness on contact state of SiO2melt droplet

圖11 接觸面積分?jǐn)?shù)對(duì)面向高溫模壓的SiO2/SiC 接觸狀態(tài)的影響
Fig.11 Effect of contact area fraction on SiO2/SiC contact state for high temperature molding

圖12 接觸面積分?jǐn)?shù)對(duì)面向高溫模壓的SiO2/SiC接觸角和相互作用能的影響
Fig.12 Effect of contact area fraction on SiO2/SiC contact angle and interaction energy for high temperature molding

圖11為粗糙度因子r>1.5時(shí)SiC模具表面接觸面積分?jǐn)?shù)對(duì)SiO2熔體液滴接觸狀態(tài)的影響，此時(shí)SiO2始終呈現(xiàn)Cassie-Baxter潤濕狀態(tài)，液滴隨接觸面積分?jǐn)?shù)的增大逐漸在SiC表面鋪展。圖12(a)對(duì)比了模擬接觸角和理論接觸角，雖然兩者存在一定誤差，但其都隨著接觸面積分?jǐn)?shù)的增大而減??；同時(shí)圖12(b)顯示接觸角越小，SiO2/SiC高溫模壓界面具有越強(qiáng)的相互作用。表面粘著力和熱應(yīng)力是脫模力的兩個(gè)組成部分[23]，減小輪廓支承長度率即減小了SiO2與SiC模具界面的實(shí)際接觸面積，從而能減小工件和模具之間的表面粘著力。而Cassie-Baxter潤濕模式無“釘扎”現(xiàn)象，減小了工件和模具的傳熱面積，在一定程度上減小了熱應(yīng)力。因此適當(dāng)減小Rmr值可以降低以及工件與模具之間的脫模力，從而減小模具磨損，提高壽命。同時(shí)也縮減了模具制造過程中拋光工序的工作量。

2.3 溫度對(duì)接觸角的影響

圖13 面向高溫模壓的SiO2/SiC接觸角與溫度的關(guān)系Fig.13 Relationship between SiO2/SiC contact angle and temperature for high temperature molding

圖13為接觸面積分?jǐn)?shù)為0.25時(shí)溫度對(duì)面向高溫模壓的SiO2/SiC接觸角的影響。從圖可見，接觸角值隨溫度的增大而減小，說明溫度升高SiO2的表面張力減?。划?dāng)溫度高于2 300 K時(shí)，接觸角的變化較大，這是因?yàn)槭褂肕S-Q勢(shì)函數(shù)模型的SiO2自擴(kuò)散激活溫度約為2 300 K左右[12]。自擴(kuò)散激活溫度可以視作石英玻璃的軟化點(diǎn)溫度，在此溫度附近，石英玻璃的結(jié)構(gòu)發(fā)生較大變化，松動(dòng)和新生的化學(xué)鍵均大大增加[24]。圖14(a)是不同溫度下SiO2熔體表面的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，由圖可見，SiO2熔體表面存在一個(gè)等密度層；在等密度層外部，密度隨溫度升高而增大；在等密度層內(nèi)部，密度隨溫度升高而減小；這意味著SiO2熔體內(nèi)部的原子在高溫作用下逐漸向外擴(kuò)散，這種密度梯度的減小使SiO2表面結(jié)構(gòu)更加松散，減小了其表面張力。圖14(b)還表明，溫度對(duì)SiO2熔體表面原子化學(xué)鍵的鍵長并未產(chǎn)生較大影響，但隨著溫度升高，各化學(xué)鍵對(duì)應(yīng)的峰值依次減小，表明表面層原子的無序程度增加。同時(shí)，對(duì)比圖8(b)可以發(fā)現(xiàn)，表面層中Si-Si對(duì)應(yīng)的峰值變得較為微弱甚至消失，這說明在表面層硅原子數(shù)量較少，而氧原子大量聚集，O-O鍵的強(qiáng)度遠(yuǎn)小于Si-O鍵強(qiáng)度，這可能是SiO2表面張力隨溫度減小的另一個(gè)原因。

圖14 不同溫度下SiO2熔體表面結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
Fig.14 Surface structure of SiO2melt in different temperature

3 結(jié) 論

采用分子動(dòng)力學(xué)方法模擬了SiO2熔體的界面結(jié)構(gòu)，將SiC模具納米級(jí)表面理想化為納米方柱陣列，研究了粗糙度和溫度對(duì)面向模壓的SiO2/SiC高溫接觸角的影響，得到以下結(jié)論：

(1)使用MS-Q勢(shì)函數(shù)模擬的SiO2熔體表面張力比BKS勢(shì)函數(shù)計(jì)算的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值更為接近，因此模擬SiO2高溫熔體的表面性質(zhì)使用MS-Q勢(shì)函數(shù)更為合理。

(2)在1 900 K的模壓溫度下，當(dāng)粗糙度因子r>1.5時(shí)，Ra的變化對(duì)接觸角值無明顯影響。Rmr值減小使得接觸面積分?jǐn)?shù)f減小，接觸角值隨之增大。此時(shí)潤濕模式從Wenzel轉(zhuǎn)變?yōu)镃assie-Baxter，減小了工件-模具之間的摩擦。由于熱應(yīng)力和界面粘著力的減小，石英玻璃光學(xué)元件模壓后的脫模力將會(huì)降低。同時(shí)，由于降低了Rmr值的要求，SiC模具加工過程中拋光工序的工作量也相應(yīng)得到了減小。

(3)面向高溫模壓的SiO2/SiC的接觸角隨模壓溫度升高而減小。當(dāng)模壓溫度超過2 300 K時(shí)，接觸角變化率顯著增大。因此模壓溫度選擇在2 300 K以下可以降低模壓時(shí)模具因玻璃熔體的粘附造成的磨損。