Tiêu chuẩn phá hủy của bề mặt chung giữa hai lớp vật liệu có chiều dày cỡ nanô mét

- BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Vương Văn Thanh TIÊU CHUẨN PHÁ HỦY CỦA BỀ MẶT CHUNG GIỮA HAI LỚP VẬT LIỆU CÓ CHIỀU DÀY CỠ NANÔ MÉT Chuyên ngành: Cơ học vật rắn Mã số: 62440107 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ CƠ HỌC Hà Nội – 2015 Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: 1.
- Thư viện Quốc gia Việt Nam 1Mở đầu Lý do chọn đề tài Vật liệu đa lớp với chiều dày các lớp thành phần cỡ micrô, nanô mét hiện nay đang được ứng dụng nhiều trong các ngành công nghiệp như ngành công nghiệp ô tô, hàng không và đặc biệt trong ngành công nghiệp vi cơ điện tử (MEMS, NEMS).
- Nhờ việc ứng dụng các vật liệu đa lớp, các thiết bị đang ngày càng được thu nhỏ, tích hợp thêm nhiều chi tiết nhằm tăng thêm các tính năng.
- Theo quan điểm cơ học, độ bền của bề mặt chung giữa các lớp vật liệu thường là yếu, do sự biến dạng không đồng nhất giữa các lớp vật liệu, nên hiện tượng bong tách cơ học có thể xảy ra dọc theo bề mặt chung.
- Hơn thế nữa, sự tách lớp vật liệu thường bắt nguồn từ những vị trí tập trung ứng suất cao như ở cạnh tự do của bề mặt chung giữa hai lớp vật liệu hay ở đỉnh vết nứt.
- Sự bong tách giữa các lớp vật liệu này có thể gây ra lỗi chức năng hoặc nghiêm trọng hơn là phá hỏng thiết bị.
- Vì độ bền của bề mặt chung giữa các lớp vật liệu là một trong những chỉ tiêu quan trọng ảnh hưởng đến độ ổn định, độ tin cậy làm việc và tuổi thọ của thiết bị, nên việc xác định tiêu chuẩn phá hủy (độ bền phá hủy cơ học) của bề mặt chung giữa các lớp vật liệu là một việc làm cần thiết.
- Tiêu chuẩn phá hủy của bề mặt chung giữa các lớp vật liệu đã được nhiều nhà nghiên cứu đề cập, tuy nhiên ở kích thước cỡ micrô, nanô mét vẫn còn nhiều vấn đề chưa được làm rõ và cần được tiếp tục nghiên cứu.
- Ở một khía cạnh khác, độ bền của bề mặt chung giữa các lớp vật liệu mỏng (kích thước dưới micrô mét) đang được các nhà sản xuất linh kiện rất chú ý và đây là một vấn đề thời sự hiện nay.
- Trong khi đó, nghiên cứu về tiêu chuẩn phá hủy của bề mặt chung giữa các lớp vật liệu có chiều dày cỡ micrô và nanô mét là một lĩnh vực nghiên cứu mới, nhưng cũng thật sự cần thiết ở Việt Nam.
- Xuất phát từ nhu cầu thực tế, quá trình tổng hợp và phân tích các kết quả của các nghiên cứu hiện có về tiêu chuẩn phá hủy của bề mặt chung giữa hai lớp vật liệu, nghiên cứu đã chọn đề tài là: “Tiêu chuẩn phá hủy của bề mặt chung giữa hai lớp vật liệu có chiều dày cỡ nanô mét”.
- 2Mục tiêu nghiên cứu - Xây dựng tiêu chuẩn phá hủy của bề mặt chung giữa hai lớp vật liệu có vết nứt ban đầu.
- Xác định tiêu chuẩn phá hủy của bề mặt chung giữa hai lớp vật liệu chưa có vết nứt ban đầu.
- Thiết lập tiêu chuẩn phá hủy của bề mặt chung giữa hai lớp vật liệu có vết nứt ban đầu dưới tác dụng của tải trọng có chu kỳ.
- Độ bền cơ học của bề mặt chung giữa hai lớp vật liệu.
- Chiều dày các lớp vật liệu ở kích thước micrô, nanô mét.
- Các cặp vật liệu thông dụng trong các thiết bị vi cơ điện tử như đồng/silic (Cu/Si) và thiếc/silic (Sn/Si).
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết của cơ học phá hủy, đặc biệt là cơ học phá hủy bề mặt chung giữa hai lớp vật liệu mỏng.
- Dựa vào các kết quả thí nghiệm kết hợp với việc sử dụng các phương pháp tính toán số để xác định các tham số phá hủy (tốc độ giải phóng năng lượng G, hệ số cường độ ứng suất K, tích phân J.
- Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án Ý nghĩa khoa học: Đã đề xuất quy trình để xác định tiêu chuẩn phá hủy hỗn hợp của bề mặt chung giữa các lớp vật liệu có chiều dày cỡ nanô mét dưới tác dụng của tải trọng cơ học (tải trọng tĩnh, tải trọng chu kỳ).
- Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả nghiên cứu có thể áp dụng để xác định tiêu chuẩn phá hủy cũng như dự báo sự lan truyền của vết nứt trên bề mặt chung giữa các lớp vật liệu mỏng, đặc biệt hữu ích trong các kết cấu phức tạp khó tiến hành thí nghiệm, hỗ trợ cho việc thiết kế, chế tạo, nâng cao độ tin cậy, ổn định làm việc cũng như tuổi thọ của thiết bị.
- Những kết quả mới của luận án 3- Xây dựng được tiêu chuẩn phá hủy hỗn hợp của bề mặt chung giữa hai lớp vật liệu Cu/Si (có vết nứt.
- Xác định được tiêu chuẩn phá hủy bề mặt chung của hai cặp vật liệu Sn/Si, Cu/Si theo phương pháp năng lượng bằng mô hình vùng kết dính (không có vết nứt.
- Thiết lập được tiêu chuẩn phá hủy mỏi của bề mặt chung giữa hai lớp vật liệu Cu/Si (vết nứt ban đầu dưới tác dụng của tải trọng có chu kỳ).
- Tổng quan Nội dung của chương này trình bày tổng quan, tổng hợp và phân tích tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về tiêu chuẩn phá hủy của bề mặt chung giữa hai lớp vật liệu, nhằm rút ra hướng nghiên cứu trọng tâm của luận án.
- Trên cơ sở những phân tích trên, nội dung của luận án sẽ đề cập đến Tiêu chuẩn phá hủy của bề mặt chung giữa hai lớp vật liệu có chiều dày cỡ nanô mét với những nội dung chính sau đây.
- Xây dựng tiêu chuẩn phá hủy hỗn hợp của bề mặt chung giữa hai lớp vật liệu có vết nứt ban đầu.
- Xác định tiêu chuẩn phá hủy của bề mặt chung giữa hai lớp vật liệu chưa có vết nứt ban đầu theo tiêu chuẩn năng lượng.
- Tiêu chuẩn phá hủy của bề mặt chung giữa hai lớp vật liệu có vết nứt ban đầu 2.1.
- Giới thiệu Trong chương này, một quy trình được đề nghị để thiết lập tiêu chuẩn phá hủy hỗn hợp của bề mặt chung giữa hai lớp vật liệu có chiều dày cỡ micrô, nanô mét.
- Hai thí nghiệm tách lớp ở hai kiểu phá hủy hỗn hợp bất kỳ được thực hiện.
- Hệ số  kể đến ảnh hưởng của mode II đến tiêu chuẩn phá hủy được tìm ra bằng quan hệ giữa tốc độ giải phóng năng lượng ở hai kiểu phá hủy hỗn hợp.
- Tiêu chuẩn phá hủy hỗn hợp của bề mặt chung cuối cùng được thiết lập bằng một hàm độ bền phá hủy thực nghiệm dựa trên các giá trị.
- Tiêu chuẩn phá hủy trên bề mặt chung giữa hai lớp vật liệu Hình 2.2 minh họa cặp vật liệu ghép đôi.
- Vật liệu 1 ở trên với các hằng số vật liệu 1, E1 và 1 và vật liệu 2 ở dưới với các hằng số vật liệu 2, E2 và 2.
- Trong đó, i, Ei và i (i =1,2) tương ứng là mô đun trượt, mô đun đàn hồi và hệ số poisson của vật liệu 1 và 2.
- Tốc độ giải phóng năng lượng tới hạn GIc ở kiểu phá hủy thuần túy mode I, với hệ số cường độ ứng suất KI,II được biểu diễn qua công thức sau (Hutchinson và Suo [52.
- Thông số  kể đến ảnh của mode II đến tiêu chuẩn phá hủy.
- Đối với kiểu phá hủy hỗn hợp (mixed-mode), tiêu phá hủy thường được biểu diễn qua quan hệ giữa tốc độ giải phóng năng lượng G và GIIc GIc 90 0 Tốc độ giải phóng năng lượng.
- Góc phá hỗn hợp, o Hình 2.4 Tiêu chuẩn phá hủy.
- Hình 2.2 Cặp vật liệu ghép đôi có vết nứt ban đầu Vết nứt Bề mặt chung Đỉnh vết nứt 2, E2, 2 Vật liệu 2 1, E1, 1 Vật liệu 1 x2  r x1 5góc pha hỗn hợp  hơn là quan hệ giữa hệ số cường độ ứng suất KI, KII.
- Thiết lập tiêu chuẩn phá hủy hỗn hợp của bề mặt chung giữa hai lớp vật liệu 2.3.1.
- Quy trình xác định Quy trình đề nghị kết hợp giữa dữ liệu thí nghiệm ở hai kiểu phá hủy hỗn hợp bất kỳ và một hàm độ bền phá hủy thực nghiệm.
- Tốc độ giải phóng năng lượng G và góc pha hỗn hợp  tương ứng với mỗi kiểu phá hủy được xác định thông qua tích phân J và hệ số cường độ ứng suất KI,II bằng phương pháp phần tử hữu hạn.
- Từ phương trình (2.15), tiêu chuẩn phá hủy hỗn hợp của hai mẫu có thể được viết: )])1((tan cIGG (2.23) và )])1((tan cIGG (2.24) trong đó, G(1), (1) và G(2), (2) tương ứng lần lượt là tốc độ giải phóng năng lượng và góc pha hỗn hợp ở kiểu phá hủy thứ nhất (mẫu 1) và thứ hai (mẫu 2).
- Theo quy trình đề nghị, tiêu chuẩn phá hủy hỗn hợp của bề mặt chung giữa hai lớp vật liệu có thể 6được xây dựng bằng việc kết hợp giữa một hàm độ bền phá hủy thực nghiệm và dữ liệu thí nghiệm ở hai kiểu phá hủy hỗn hợp bất kỳ.
- Kết quả thu được chỉ ra quy trình đề nghị có thể được sử dụng để thiết lập tiêu chuẩn phá hủy hỗn hợp của bề mặt chung giữa hai lớp vật liệu.
- Tiêu chuẩn phá hủy hỗn hợp bề mặt chung của cặp vật liệu Cu/Si Theo phương pháp truyền thống, việc xác định tiêu chuẩn phá hủy hỗn hợp của bề mặt chung giữa hai lớp vật liệu có chiều dày nhỏ hơn micrô mét gặp nhiều khó khăn do chế tạo các mẫu thí nghiệm có vết nứt ban đầu.
- Với mục đích giảm thiểu số mẫu phải thí nghiệm, nghiên cứu tiến hành xây dựng tiêu chuẩn phá hủy hỗn hợp của bề mặt chung giữa hai lớp vật liệu đồng (Cu, chiều dày 200 nm) và silic (Si, chiều dày 500 µm) theo quy trình đề nghị.
- Hai thí nghiệm ở hai kiểu phá hủy hỗn hợp bất kỳ được thực hiện.
- Thí nghiệm dầm uốn 4 điểm sửa đổi chỉ có một vết nứt ban đầu được thực hiện cho kiểu phá hủy thứ nhất, trong khi đó thí nghiệm dầm công xôn được thực hiện ở kiểu phá hủy hỗn hợp thứ hai.
- Hàm độ bền phá hủy thực nghiệm biểu diễn theo phương trình (2.15) được sử dụng.
- Các bước thiết lập tiêu chuẩn phá hủy được tiến hành như sau: 2.3.3.1.
- Thí nghiệm I Hình 2.10 minh họa cặp vật liệu ghép đôi, lớp vật liệu Cu có chiều dày 200 nm được phủ trên lớp vật liệu nền Si có chiều dày 550 m bằng phương pháp phún xạ.
- Sau đó tấm được gắn lên lớp vật liệu đồng bằng keo epoxy tiêu chuẩn.
- Hình 2.11 biểu diễn mẫu thử dầm uốn 4 điểm.
- 7 Bảng 2.5 Hằng số vật liệu của các lớp vật liệu dùng trong mẫu thí nghiệm I Vật liệu Mô đun đàn hồi E (GPa) Hệ số poisson  Cu 129 0,34 Epoxy 2,50 0,30 Si 167 0,30 Thép 200 0,30 Bảng 2.5 liệt kê các hằng số vật liệu được sử dụng trong tính toán.
- Hình 2.14 thể hiện mô hình phần tử hữu hạn của mẫu I bằng phần mềm thương mại ABAQUS 6.10 [5].
- Thí nghiệm II Hình 2.16 minh họa mẫu dầm công xôn của cặp vật liệu Cu/Si và sơ đồ đặt lực, lớp vật liệu Cu được phủ lên lớp vật liệu nền Si bằng phương pháp phún xạ, dầm thép được gắn lên lớp vật liệu đồng bằng keo epoxy tiêu chuẩn.
- Bảng 2.4 Kích thước và lực tác dụng tới hạn trên mẫu thử -I Mẫu I 1 2l0(mm) 42 43l1(mm) 11 11l2(mm) 18 18l3 (mm) 17 16l4(mm) 21 21a (mm) 4,5 4,3Pc(N) 6,4 6,7Cu (200 nm) Hình 2.10.
- Cặp vật liệu ghép đôi Cu/Si Si (500 µm.
- Hình 2.22 minh họa mô hình phần tử hữu hạn của mẫu II.
- Bề mặt chung Lớp Cu phủ bằng phương pháp phún xạ (200 nm) Lớp nền Si (500 μm) ai Lớp Cu phủ bằng phương pháp bốc bay (25 nm) (b) Chi tiết vùng A trong mẫu chưa có vết nứt.
- Thiết lập tiêu chuẩn phá hủy.
- Theo quy trình đề nghị, kết quả thí nghiệm ở hai kiểu phá hủy hỗn hợp đủ để xây dựng tiêu chuẩn phá hủy (Từ kết quả đạt được trong hai thí nghiệm I và II (G(1.
- 47o cho kiểu phá hủy thứ nhất và G(2.
- 37o cho kiểu phá hủy thứ 2).
- Cuối cùng, tiêu chuẩn phá hủy hỗn hợp (hàm độ bền phá hủy) của bề mặt chung giữa hai lớp vật liệu Cu/Si được thiết lập như sau: )]666,0(tan1[95,0)(2.
- (2.33) Hình 2.22 Mô hình phần tử hữu hạn của mẫu II P Vết nứt Epoxy Si Cu Mẫu thí nghiệm-II Hình 2.19 Quan hệ giữa lực và chuyển vị Mẫu thí nghiệm-II.
- Chuyển vị u, µm Lực tác dụng P, N 4 C D F E X X y x Đỉnh vết nứt 50 nm Tách lớp vật liệu Vết nứt bắt đầu lan truyền 10 2.4.
- Kết luận chương 2 Một quy trình kết hợp giữa dữ liệu thí nghiệm ở hai kiểu phá hủy hỗn hợp bất kỳ và một hàm độ bền phá hủy thực nghiệm được đề nghị để thiết lập tiêu chuẩn phá hủy hỗn hợp của bề mặt chung giữa hai lớp vật liệu ở kích thước dưới micrô mét.
- Trên cơ sở của quy trình đề nghị, tiêu chuẩn phá hủy hỗn hợp bề mặt chung của cặp vật liệu Cu/Si được thiết lập: )]666,0(tan1[95,0)(2.
- (2.34) Dựa vào kết quả thu được, tiêu chuẩn phá hủy được xác định không những ở các kiểu phá hủy là thuần túy mode I và II (GIc và GIIc) mà còn ở các kiểu phá hủy hỗn hợp bất kỳ.
- Tiêu chuẩn phá hủy của bề mặt chung giữa hai lớp vật liệu không có vết nứt ban đầu 3.1.
- Giới thiệu Trong chương này, nghiên cứu tập trung vào việc xác định tiêu chuẩn phá hủy bề mặt chung của hai cặp vật liệu là Sn/Si và Cu/Si bằng tiêu chuẩn năng lượng.
- Tiêu chuẩn phá hủy của bề mặt chung giữa hai lớp vật liệu Sn/Si và Cu/Si cuối cùng được xác định thông qua mô hình vùng kết dính.
- Mô hình vùng kết dính Mô hình vùng kết dính được minh họa như trên Hình 3.4, trong đó vùng kết dính được giả thiết tồn tại giữa hai lớp vật liệu.
- Quan hệ giữa lực kết dính T và chuyển vị phân ly  được gọi là luật Hình 2.23 Tiêu chuẩn phá hủy.
- bề mặt chung của cặp vật liệu Cu/Si .
- J/m2 Hình 2.23 biểu diễn hàm độ bền phá hủy của bề mặt chung giữa hai lớp vật liệu Cu/Si.
- Dựa vào hàm độ bềnphá hủy, tiêu chuẩn ở các kiểu phá hủy hỗn hợp bất kỳ có thể được xác định mà không cần phải thực hiện thêm bất kỳ một thí nghiệm nào khác.
- Hình 3.4 Mô hình vùng kết dính Hình 3.7 Luật kết dính hàm mũ Với giả thiết tách lớp của bề mặt chung giữa các lớp vật liệu nghiên cứu xảy ra ở điều kiện đàn hồi, luật kết dính dạng mũ exp đề nghị bởi Xu và Needleman [106] được lựa chọn.
- Tn(max) là lực kết dính tới hạn theo phương pháp tuyến.
- Luật kết dính Chuyển vị phân ly.
- o Lực kết dính, T Mặt kết dính dưới Mặt kết dính trên Vùng kết dính Vật liệu 2 Vật liệu 1 T P o y x nmaxP n (a) Theo phương pháp tuyến n Tn n 0 Tn(max) (b) Theo phương tiếp tuyến 0 t Tt Tt(max) t 12- Tn và Tt lần lượt là thành phần lực kết dính theo phương pháp tuyến và tiếp tuyến.
- Tiêu chuẩn phá hủy bề mặt chung của cặp vật liệu Sn/Si 3.3.1.
- Thông số vật liệu trong phân tích phần tử hữu hạn Vật liệu Mô đun đàn hồi E (GPa) Hệ số poisson  Si Sn 49,9 0,36 Ta2O Với mục đích xác định tiêu chuẩn phá hủy của bề mặt chung giữa hai lớp vật liệu thiếc (Sn) và silic (Si), dữ liệu thí nghiệm đạt được bởi nhóm tác giả Hirakata [49] được sử dụng trong nghiên cứu này.
- Hình 3.9 minh họa mô hình mẫu thử và sơ đồ đặt lực.
- Lớp vật liệu mỏng thiếc (Sn) có chiều dầy 400 nm được phủ trên lớp vật liệu nền silic (Si) bằng phương pháp bốc bay ở áp suất 5,0x10-4 Pa.
- Sau đó, lớp vật liệu Ta2O5 có chiều dày 450 nm được phủ lên lớp vật liệu Si Sn Ta2O5 h wSi wSn wTaO 1 2 P Hình 3.9 Mẫu thử và sơ đồ đặt lực Điểm tách lớp Mẫu 1 Lực tác dụng P, N Chuyển vị ở đầu đặt lực u, nm A Hình 3.10 Quan hệ giữa lực và chuyển vị ở đầu đặt lực 13Sn bằng phương pháp bốc bay bằng chùm điện tử ở áp suất 3,5x10-4 Pa.
- Dầm công xôn được tạo trên một phần của lớp vật liệu nền Si bằng phương pháp chùm ion hội tụ (focused ion beam).
- Hình 3.10 minh họa mối quan hệ giữa lực P và chuyển vị u ở tại đầu đặt lực.
- Thông số vật liệu của mẫu thử được sử dụng trong phân tích phần tử hữu hạn được liệt kê trong Bảng 3.2.
- Phương pháp xác định Hình 3.11 minh họa mô hình phần tử hữu hạn với lớp vật liệu kết dính, bề mặt chung giữa hai lớp vật liệu Sn và Si được thay thế bằng một lớp phần tử kết dính có chiều dày bằng 0.
- Hình 3.13 minh họa một phần tử kết dính, trong đó phần tử được tạo bởi hai phần tử đường thuộc hai lớp vật liệu tương ứng.
- Vật liệu 2 Vật liệu1 Phần tử 2 Phần tử kết dính Bề mặt chung y x Hình 3.13 Phần tử kết dính utrên udưới Hình 3.12 Mô hình phần tử hữu hạn với lớp vật liệu kết dính nằm giữa 2 lớp vật liệu Sn và Si Si Sn 10 nm P Ta2OSSi Lớp vật liệu kết dính 14định nghĩa bằng hiệu số giữa chuyển vị nút ở mặt kết dính trên và chuyển vị nút ở mặt kết dính dưới.
- Công tách lớp trên một đơn vị diện tích đặc trưng cho độ bền bề mặt chung được xác định qua biểu thức sau eTn(max)n .
- của bề mặt chung Sn/Si, theo phương trình (3.8), chỉ hai tham số n(max) và n cần phải xác định.
- Độ cứng của lớp vật liệu kết dính được lấy trong trường hợp thứ 1 và thứ 3 thấp hơn và cao hơn giá trị thực trên bề mặt.
- Hình 3.16 biểu diễn quan hệ giữa lực và chuyển vị đạt được bằng mô phỏng và thực nghiệm

Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn
hoặc xem Tóm tắt