Influencia del ángulo de impacto en el corte abrasivo nanométrico de cobre monocristalino: estudio de dinámica molecular

Resumen

El pulido por flujo abrasivo es fundamental en mecanizado de ultraprecisión, donde partículas nanométricas suspendidas en fluido remueven material a escala atómica. Este estudio emplea simulaciones de dinámica molecular (MD) tridimensionales para cuantificar cómo el ángulo de impacto de granos abrasivos de SiC afecta el corte de cobre monocristalino. Usando LAMMPS, modelamos cortes a ángulos de 0° a 45° manteniendo coeficiente de fricción constante. Los resultados revelan correlación directa entre ángulo de corte y fuerza de corte, llevando a mayor actividad de dislocaciones y daño superficial. Por el contrario, un ángulo de impacto pequeño reduce defectos internos y mejora el acabado superficial. No se observó dependencia clara entre ángulo de corte y coeficiente de fricción.

Introducción

El mecanizado de ultraprecisión sustenta la microelectrónica moderna, micromecánica y fabricación de componentes ópticos, exigiendo precisión dimensional a escala nanométrica y acabado superficial prístino. Entre técnicas de acabado, el pulido por flujo abrasivo (AFP) destaca por su capacidad para eliminar daño subsuperficial manteniendo tolerancias geométricas. AFP involucra partículas abrasivas ultrafinas dispersas en fluido que impactan la superficie de la pieza, removiendo material mediante eventos repetidos de microcorte. Si bien extensos trabajos experimentales han explorado parámetros macro —reología del fluido, concentración abrasiva, parámetros de proceso— investigaciones a microescala permanecen escasas, especialmente sobre la mecánica atómica del ángulo de impacto y generación de fuerza.

Las simulaciones MD ofrecen una lente atomística poderosa para interrogar estos fenómenos. Estudios previos usaron MD para examinar corte nanométrico de cobre, silicio y otros materiales, revelando insights sobre dinámica de dislocaciones, transformaciones de fase y disipación de energía. Basándonos en esta base, modelamos la interacción entre abrasivos SiC y cobre monocristalino, enfocándonos en cómo el ángulo de impacto modula fuerza de corte, transferencia de energía y evolución de defectos.

Métodos/Experimental

Construimos un modelo realista de abrasivo SiC (radio 15 Å, 1406 átomos: 681 C + 725 Si) y una losa de cobre monocristalino conteniendo 159 020 átomos. La caja de simulación se equilibró sobre 10 000 pasos de relajación (Δt = 0,001 ps) antes de iniciar el corte. Dos partículas de SiC impactaron la superficie de cobre a ángulos de 0° a 45°, cada una con velocidad de 80 m/s. La simulación total comprendió 100 000 pasos de corte, permitiendo capturar evolución de tensión, temperatura y densidad de dislocaciones durante el proceso.

Potenciales interatómicos se seleccionaron para reflejar interacciones materiales distintas: Morse para contactos Cu-SiC, Método de Átomo Empotrado (EAM) para interacciones Cu-Cu, y Tersoff para enlaces SiC-SiC. Esta combinación ha sido validada en estudios previos de nanomecanizado y asegura representación precisa de comportamiento elástico, plástico y fractura.

Resultados y Discusión

Mecánica de corte y análisis de fuerza

Los granos de SiC remueven material disrumpiendo la red de cobre, generando tensiones de cizallamiento que se manifiestan como fuerzas de corte. La Figura 6 demuestra que la magnitud de la fuerza de corte crece con tanto profundidad como ángulo de impacto, especialmente entlang direcciones cristalográficas [010] y [001]. A ángulos pequeños (≤ 15°), las fuerzas permanecen modestas y relativamente estables, mientras que ángulos mayores inducen tensiones más altas y fluctuaciones más pronunciadas, indicativas de mayor distorsión de red y nucleación de defectos.

Transferencia de energía durante el corte

El análisis de energía revela que la energía cinética aumenta constantemente mientras el abrasivo contacta el cobre, alcanzando pico cuando la partícula penetra completamente la red. La energía potencial aumenta con el ángulo hasta ~20°, tras lo cual se meseta, reflejando el inicio de eventos de dislocación y transición de fase. La energía total permanece relativamente constante across ángulos porque componentes cinéticos y potenciales se compensan mutuamente.

Desplazamiento atómico y evolución de dislocaciones

Mapas de desplazamiento atómico (Figura 10) ilustran que ángulos de impacto mayores producen penetración más profunda y desorden de red más extenso. La transición de estructura cúbica centrada en caras (FCC) a compacta hexagonal (HCP) y eventual estructura amorfa es evidente, especialmente para ángulos ≥ 25°. La densidad de dislocaciones, identificada via análisis de ángulo de enlace (Figura 11), aumenta bruscamente con el ángulo, indicando que ángulos de impacto grandes exacerban deformación plástica y acumulación de defectos.

Evaluación del coeficiente de fricción

Los coeficientes de fricción calculados (ratio de fuerza tangencial a normal) permanecen largely invariantes across todos los ángulos de impacto (Figura 13). Esto sugiere que la adhesión superficial y el entrelazado atómico dominan el comportamiento de fricción, más que la geometría de corte macroscópica.

Conclusiones

Simulaciones MD confirman que el ángulo de impacto es factor decisivo en corte nanométrico AFP. Ángulos entre 0° y 15° generan fuerzas de corte modestas, actividad de dislocación limitada e integridad superficial superior. Ángulos mayores amplifican daño de red, aumentando densidad de defectos y comprometiendo rendimiento del material. El coeficiente de fricción es insensible al ángulo, subrayando dominancia de adhesión atómica sobre factores geométricos. Por tanto, mantener ángulo de impacto pequeño se recomienda para optimizar calidad superficial y minimizar defectos internos durante pulido por flujo abrasivo de cobre monocristalino.