单晶硅在超大规模集成电路、柔性电子、红外光学和微纳机电系统等高科技领域应用日益广泛。传统主要采用机械化学抛光法使硅片表面达到特定使用要求,不仅效率低下而且有严重的点蚀和亚表层损伤;然而纯机械超精密切削技术作为一种新型的高效率、低表面损伤的加工方式已经在纳米尺度实现单晶硅的塑性域去除。由于单晶硅具有规则的晶体结构,在切削过程中各向异性效应对材料的微纳去除有显著的影响,针对单晶硅的微观切削机理研究仍未完善。本文通过建立三个典型晶面的单晶硅分子动力学仿真模型,结合纳米压痕、单颗粒金刚石飞切实验总结出不同晶面的弹塑性变形机理,对单晶硅各向异性塑性域超精密切削材料去除机理进行深入分析,有以下主要研究内容和结论:1.基于纳米压痕分子动力学仿真和实验对样品的特征弹性模量、微纳硬度、相变机制和非晶区域的机械变形行为进行分析。发现(100)面有更宽的弹性区域为3.7 nm,压头正下方出现长程有序的结构;(110)面具有较高的硬度值14.3 GPa,在外部载荷作用下不容易发生机械变形。在加载开始时(110)面会较早的产生位错,在加载过程中,三个晶面非晶区域的位错是不断产生和消失的,在5 nm压深下,三个晶面不会发生脆性裂纹和滑移位错,卸载后高压区域产生永久位错。(111)面非晶区域底部有较好的平面保持性;在非晶区域形貌的演化中,随着载荷的不断加大出现生长转向机制;相变产生的类型依赖于压力的分布,Si-II相和Si-III相在加载过程中,几乎同时开始生长,卸载以后,Si-III相基本消失,剩下大部分的Si-II相;单晶硅各向异性效应主要依赖于其表面原子和层间原子排列方式。2.从原子的角度对精密切削表面微观形貌的形成过程做了定量解释,研究了切削过程中亚表层损伤厚度和机械变形行为。单晶硅在超精密切削过程中表现出明显的各向异性效应,3 nm微切削厚度下材料塑性域去除主要是在刀具的挤压和剪切作用下产生相变和塑性流动完成的,随着切削的进行,刀具前方原子堆积到一定量,由刀具的剪切去除。在同一切深下,(110)晶面需要较大的切削力,在切削过程中(100)面的摩擦系数基本保持稳定。(100)面在已切削表面产生较平整的表面形貌,但是会产生较厚的亚表层损伤;(111)面切削后会产生较低的亚表层损伤厚度。3.在飞切实验中,每个晶面的材料去除方式都包括塑性去除和脆性崩裂去除,其中(100)面切槽两边有较多的切屑并且多呈块状四边形,切槽区域有波纹状垂直于切削方向的切削形貌;(110)面的切屑呈条状平行四边形,而且切屑较薄,切槽底部形貌波纹分布较窄与切削方向呈约5°的夹角;(111)面主要是以粘着磨损材料剥落为主,有较好的切削表面平坦度,以上实验结果和分子动力学仿真分析结果有较好的一致性。另外对飞切试验过程中不同晶面的声发射信号分析,(110)晶面需要较大的切削能;而(111)晶面材料去除方式主要是由滑动摩擦和粘着磨损引起,材料体积去除较少。