熱物性を考慮したダイヤモンド切削の分子動力学シミュレーション

2004 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 15760072
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: 原田 宏幸 北海道大学, 大学院・工学研究科, 助教授 (90301936)
• Keywords: 切削 / ダイヤモンド工具 / 古典分子動力学法 / シミレーション / 熱伝導 / diamond tool / molecular dynamics / heat conduction

Research Abstract

本研究では以下の3点に取り組んだ.
1.古典分子動力学法によるシミュレーションに,金属特有の自由電子の移動による熱輸送を考慮した補正を加えるための計算手法を提案すること.
2.ダイヤモンド工具をモデル化し,ダイヤモンドの物性,特に熱物性を表現する手法の開発を試みること.
3.それらのモデルによるシミュレーションにより切削のミクロなメカニズムについての知見を得ること.
得られた成果は以下の通り.
1.本研究より以前に,微小な系において一定の成果を上げていた原子速度の空間的な平均化による金属熱伝導の表現方法では,より大きな3次元系ではFourierの法則に従う挙動を表現できないことがわかった.
2.原子速度の二乗平均を用い,かつ一般に知られている材料のマクロな熱伝達率をパラメータとして含む新しい手法を提案し,熱伝導挙動を改善できた.ただし,依然として原子の運動のばらつきが失われる,マクロとミクロの速度を区別できないなどの問題点が残っている.
4.Tersoff-Brennerポテンシャルによるダイヤモンド工具のモデル化を試みたが,結晶の表面状態の表現が困難であり,安定した結果を得られなかった.
5.炭素原子のばね結合モデルによって,ダイヤモンド工具を表現した.このモデルは弾性率や熱物性を比較的良く表すが,原子論的な根拠には乏しく,現段階では検証が不十分である.
6.上記のモデルにより切削シミュレーションを行い,提案したモデルでは通常の分子動力学法と比較して,同一の切削条件においてせん断角が大きく,また刃物先端により高温の領域が生じるなどの結果が得られた.
当初計画していた方法が予想の結果を生まなかったこと,およびそれに伴う研究の遅れによって,検証の不十分な点が残っており,研究の期間内に成果を発表することはできなかった.