纳米加工技术的发展使得纳机电系统制造成为可能。当被加工材料尺寸达到纳米量级时,由于小尺寸效应、量子效应及表面效应的影响,纳米加工的理论与方法和传统机械加工有着本质的不同,材料的力学特性、缺陷、载荷特性和失效机理等都将发生质的变化。依据经典连续介质力学建立起的机械加工理论将不能直接应用在纳米加工技术当中,必须应用近代物理学的最新成果,从原子尺度上去研究纳米加工机理。本文借助分子动力学仿真技术,探究单晶硅三个典型晶面在纳米压痕及刻划过程中的加工变形机理,应用纳米压痕仪进行相应的纳米压痕及刻划实验。随后探究脆性材料单晶硅的纳米切削机理,并对纳米加工过程中的金刚石刀具磨损进行考察。这对于全面认识单晶脆性材料纳米加工机理具有重要的理论意义和实用价值,同时将为纳米加工技术的进一步发展提供必要的理论基础。本文首先建立了单晶硅(100)、(110)和(111)晶面纳米压痕刻划的三维分子动力学仿真模型,进而研究应用纳米原位压痕仪对单晶硅不同晶面的纳米加工技术,同时考察单晶硅的微观变形机制和力学性能。应用纳米压痕仪对单晶硅不同晶面进行了相应的实验,结果表明:相对(100)、(110)晶面,(111)晶面在仿真过程中得到较小的弹性模量和硬度值,这种现象与仿真结果基本一致;实验中单晶硅各晶面刻划载荷随刻划深度增加而增加并具有不同的上升斜率,其各晶面上升斜率大小关系与仿真中各晶面刻划载荷上升斜率关系一致,间接的证明分子动力学是研究单晶硅纳米加工机理的有效方法,仿真建模中的相关内容基本正确。其次,对于不同晶面单晶硅分别从不同时刻的瞬间原子位置图、变形区结构变化,切削过程中能量的演化、切削力、应力的变化等方面分析了工件纳米切削过程中的变形机理和各向异性对加工过程的影响。从势能、切削力的变化角度可以看出,单晶硅在切削过程中结构发生渐进式变化,并没有位错产生;在工件的切削变形区,切屑的势能分布因不同的晶面结构而略有差别;处于刀具前刀面的被加工材料其变形区域的扩展速度和刀具切削速度处于同一数量级。对单晶硅纳米切削已加工表面质量进行考察,结果表明,已加工表面均方根偏差处于0.01nm量级,应力处于0.01GPa量级,并且其值随晶面不同而有所不同。最后,对单晶硅纳米切削过程中的单晶金刚石刀具磨损机理进行了研究,并考察温度场对刀具磨损的影响。仿真的原子瞬间图显示,工件的挤压导致刀具表面晶体结构发生改变,金刚石刀具表面原子在纳米切削初始阶段产生脱落现象,随后的切削过程中原子脱落现象明显减弱。从径向分布函数判断:刀具的外表层形成散乱结构,同时刀具理想晶格和外表层之间的亚表层的原子密度增加阻止了刀具的进一步磨损。温度升高使得刀具表层及亚表层平均原子势能及其应力增加,切削力略微下降;温度的升高使得单晶硅原子活性显著提高,而对刀具原子的影响并不明显,切削过程在高温条件下可以继续进行。