粉碎包括破碎和研磨[1]，是矿物加工工程中的基础过程，用于有效释放矿物。这种尺寸减小过程通过能量密集型的颗粒破碎来促进有价值矿物与脉石的分离，产生大量的新鲜表面[2]。因此，内部矿石变形行为、能量分布以及最终产品新产生的表面积之间的相互关系成为粉碎研究的关键焦点[3]。研究这些方面有助于优化能量利用，从而提高整体粉碎效率[4]。
目前最广泛使用的粉碎方法是机械粉碎，主要的力施加方式包括破碎、劈开、断裂、研磨和冲击[5]。每种力施加方式都涉及在特定时间内施加的压缩载荷。尽管纯压缩载荷在粉碎过程中的能量利用效率低于拉伸载荷，但研究表明[6]，矿物在压缩载荷下会发生变形，导致不同程度的内部损伤。在粉碎过程中，这些损伤由于外力而引发并扩展裂纹，影响产品的粒径分布和形状。这些发现表明，压缩机制在矿物释放过程中仍然起着重要作用。
因此，已经进行了大量研究来了解矿物在压缩载荷下的破碎机制，主要分为两个方向：一是研究不同类型设备（如高压研磨辊[7]、颚式破碎机[8]和圆锥破碎机[9]）在压缩条件下的破碎性能；二是采用简单的实验室实验，对单个颗粒或颗粒集合体进行压缩，例如单轴压缩试验[10]、活塞压力试验[11]、落锤试验[12]和Split Hopkinson压力棒试验[13]。这些努力从宏观层面阐明了压缩力如何影响产品的粒径分布和形态，显著推动了粉碎理论的发展。
然而，这些研究缺乏对矿物在压缩过程中微观尺度上的变形行为和能量分布的详细分析，限制了它们揭示驱动宏观粉碎现象的基本因素的能力。在材料科学中，基于原位扫描电子显微镜的双悬臂梁试验可以观察样品在压缩载荷下的裂纹扩展[14]。然而，这类实验的高复杂性和成本限制了其在矿物粉碎研究中的应用。
随着计算机技术的进步，分子动力学（MD）模拟提供了一种方法，可以研究外部载荷与材料内部行为之间的机制关系，而不受外部实验条件的限制。MD模拟具有低成本和高精度的优势，使其成为研究材料微观尺度变形和失效机制的有效工具[15]。其中，基于MD的纳米压痕模拟通过检查材料的原子结构来分析压缩载荷下的变形行为和机械性能。这种方法已广泛应用于陶瓷材料[16]、合金材料[17]、单晶材料[18]、石墨烯[19]和涂层材料[20]的研究。这种方法有效地研究了矿物在原子尺度压缩载荷下的变形行为和能量演变机制。
粉碎本质上是通过能量消耗来减小材料粒径和削弱机械性能的过程。这一过程需要大量的能量消耗，但其能量效率仍然很低。粉碎过程消耗了全球约1.8%的电力[21]，但其能量效率仅介于1%到5%之间[22]。压缩是机械粉碎中的基本力施加方式。研究矿物在压缩载荷下的能量分布对于提高效率和减少能耗至关重要。这有助于节能和环境的可持续性。
作为火成岩、变质岩和沉积岩的主要成分，二氧化硅（SiO2）占地球地壳质量的约12.6%[23]。这种地质上普遍存在的化合物主要以两种不同的结构形式存在：晶体（c-SiO2）和非晶体（a-SiO2）。这种普遍存在的矿物存在于多种矿床中，包括但不限于黄铜矿、磁铁矿、赤铁矿、白钨矿和含金矿床，其存在显著影响下游加工方法。作为一种典型的脆性材料，二氧化硅有效地反映了矿物在压缩载荷下的变形行为和机械响应[24]。此外，二氧化硅卓越的物理化学稳定性为其在多个工业领域的应用奠定了基础，从传统的二氧化硅玻璃和陶瓷制造到先进的技术实现，包括半导体级硅的生产、太阳能转换的光伏电池制造以及电信系统中的光纤开发[25]。这些多样的应用模式需要系统地研究其在压缩载荷下的机械行为。
我们之前的研究发现[26]表明，二氧化硅玻璃在压缩下的能量效率在中观和微观尺度上存在差异。这种差异与材料本身的内在裂纹有关。然而，裂纹如何影响各种能量形式的分布以及压缩过程中新表面的生成机制尚不清楚。此外，应该注意的是，晶体二氧化硅的性质更接近实际矿石，也应纳入粉碎机制的研究中。
因此，本研究选择了不同形式的二氧化硅作为基底。在基底中引入了不同位置和长度的预裂纹，以模拟天然矿物中存在的缺陷。采用MD模拟进行纳米压痕试验，分析了基底在压头加载过程中的变形行为。计算了机械性能，包括杨氏模量（E）和硬度（H），并阐明了主要能量成分的分布，如塑性应变能（Up）、弹性能（Ue）和断裂能（Uc）。结果揭示了矿物在压缩载荷下的变形行为和能量分布机制。
本研究阐明了创新粉碎技术（包括高压电脉冲和微波辐照）具有更高效率的机制。通过展示二氧化硅在压缩力作用下的变形和能量分布，我们的发现为优化能量分配策略提供了理论指导，以在粉碎过程中最大化新表面积的生成。这项研究为减少能耗和提高粉碎效率提供了重要见解。
