- 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 LUẬN ÁN TIẾN SĨ CƠ HỌC Hà Nội – 2015 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 LUẬN ÁN TIẾN SĨ CƠ HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. - Trong luận án có sử dụng một phần kết quả nghiên cứu của hai đề tài “Xác định độ bền bắt đầu nứt của bề mặt chung giữa các lớp vật liệu có chiều dày nanô mét”, mã số và đề tài “Dự báo sự phát triển vết nứt dọc theo bề mặt chung giữa các lớp vật liệu có chiều dày nanô mét dưới tác dụng của tải trọng có chu kỳ”, mã số được tài trợ bởi Quỹ Phát triển Khoa học và Công nghệ Quốc gia (Nafosted) do nghiên cứu sinh và đồng tác giả tham gia thực hiện và đã được chủ nhiệm đề tài cùng các thành viên trong nhóm nghiên cứu cho phép sử dụng. - Tiêu chuẩn phá hủy của bề mặt chung giữa hai lớp vật liệu có vết nứt ban đầu. - Tiêu chuẩn phá hủy trên bề mặt chung giữa hai lớp vật liệu. - Thiết lập tiêu chuẩn phá hủy hỗn hợp của bề mặt chung giữa hai lớp vật liệu. - Cặp vật liệu có hệ số. - Tiêu chuẩn phá hủy hỗn hợp của bề mặt chung giữa hai lớp vật liệu Cu/Si. - Tiêu chuẩn phá hủy của bề mặt chung giữa hai lớp vật liệu không có vết nứt ban đầu. - Xác định tiêu chuẩn phá hủy bề mặt chung của cặp vật liệu Sn/Si . - Xác định tiêu chuẩn phá hủy bề mặt chung của cặp vật liệu Cu/Si. - 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. - Vật liệu và mẫu thí nghiệm. - 107 4 D FEM – Finite element method MEMS – Micro Electro Mechanical Systems NEMS - Nano Electro Mechanical Systems TEM - Transmission electron microscopy C - Thông số của vật liệu E – Mô đun đàn hồi GI - Tốc độ giải phóng năng lượng mode I GII - Tốc độ giải phóng năng lượng mode II GIII - Tốc độ giải phóng năng lượng mode III GIc - Tốc độ giải phóng năng lượng tới hạn mode I GIIc - Tốc độ giải phóng năng lượng tới hạn mode II GIIIc - Tốc độ giải phóng năng lượng tới hạn mode III Gc - Tốc độ giải phóng năng lượng tới hạn Gmax - Tốc độ giải phóng năng lượng lớn nhất Gmin - Tốc độ giải phóng năng lượng nhỏ nhất J - Tích phân xung quanh đỉnh vết nứt J Jc - Tích phân J tới hạn KI - Hệ số cường độ ứng suất mode I KII - Hệ số cường độ ứng suất mode II KIII - Hệ số cường độ ứng suất mode III Kc - Hệ số cường độ ứng suất tới hạn KIc - Hệ số cường độ ứng suất tới hạn mode I 5 KIIc - Hệ số cường độ ứng suất tới hạn mode II KIIIc - Hệ số cường độ ứng suất tới hạn mode III L - Đường lấy tích phân N - Số chu kỳ P- Lực tác dụng Pc - Lực tác dụng tới hạn Pmax - Lực tác dụng lớn nhất Pmin - Lực tác dụng nhỏ nhất Q1, Q2 - Hệ số mũ R – Bán kính mẫu thử T – Lực kết dính Tm – Lực kết dính lớn nhất Tn – Lực kết dính theo phương pháp tuyến Tt – Lực kết dính theo phương tiếp tuyến Ti - Thành phần của véc tơ pháp tuyến a - Chiều dài vết nứt c - Hệ số compliance da/dN - Tốc độ phát triển vết nứt ds- Chiều dài dọc theo đường lấy tích phân i- Đơn vị số ảo l – Chiều dài tham khảo m - Thông số của vật liệu r - Khoảng cách tính từ cạnh tự do u - Chuyển vị ở đầu đặt lực ui - Thành phần của véc tơ chuyển vị 6 w – Mật độ năng lượng biến dạng. - 40 Bảng 2.2 Hằng số vật liệu của cặp vật liệu plexiglass/epoxy. - 42 Bảng 2.3 Hằng số vật liệu của cặp vật liệu nhôm/epoxy. - 47 Bảng 2.5 Hằng số vật liệu của các lớp vật liệu dùng trong mẫu thí nghiệm I. - 68 Bảng 3.2 Thông số vật liệu trong phân tích phần tử hữu hạn. - 68 Bảng 3.3 Mẫu thử và tải trọng giới hạn để tách lớp vật liệu. - 74 Bảng 3.4 Hằng số vật liệu của các vật liệu sử dụng trong mô hình tính toán. - 76 Bảng 4.1 Hằng số vật liệu của các lớp vật liệu sử dụng trong nghiên cứu. - 16 Hình 1.2 Cặp vật liệu ghép đôi có vết nứt ban đầu. - 18 Hình 1.3 Kiểu phá hủy cơ bản của vật liệu dưới tác dụng của tải trọng. - 18 Hình 1.4 Thí nghiệm dầm công xôn kép DCB. - 19 Hình 1.5 Thí nghiệm dầm uốn hỗn hợp ENF. - 20 Hình 1.6 Thí nghiệm dầm uốn hỗn hợp MMF. - 20 Hình 1.7 Thí nghiệm dầm công xôn. - 20 Hình 1.8 Thí nghiệm dầm uốn 3 điểm. - 21 Hình 1.9 Thí nghiệm dầm uốn 4 điểm. - 21 Hình 1.10 Mẫu thử đĩa Brazil-nut. - 21 Hình 1.11 Mẫu thử đĩa Arcan. - 22 Hình 1.12 Vật liệu ghép đôi không có vết nứt ban đầu. - 22 Hình 1.13 Trường ứng suất gần cạnh tự do của bề mặt chung. - 23 Hình 1.14 Đường cong quan hệ giữa tốc độ phát triển vết nứt da/dN và biên độ tốc độ giải phóng năng lượng G. - 25 Hình 2.1 Các phương pháp xác định tiêu chuẩn phá hủy của bề mặt chung giữa hai lớp vật liệu. - 32 Hình 2.2 Cặp vật liệu ghép đôi có vết nứt ban đầu. - 33 Hình 2.3 Tiêu chuẩn phá hủy biểu diễn theo hệ số cường độ ứng suất K. - 35 Hình 2.4 Tiêu chuẩn phá hủy biểu diễn theo. - 36 Hình 2.5 Ảnh hưởng của chiều dài l đến tiêu chuẩn phá hủy. - 38 Hình 2.6 Mô hình mẫu thí nghiệm đĩa Brazil-nut. - 41 Hình 2.7 Mô hình phần tử hữu hạn của mẫu thí nghiệm đĩa Brazil- nut. - 42 Hình 2.8 Tiêu chuẩn phá hủy của cặp vật liệu plexiglass/epoxy theo với. - 43 Hình 2.9 Tiêu chuẩn phá hủy của cặp vật liệu nhôm/epoxy theo. - 44 9 Hình 2.10 Cặp vật liệu ghép đôi Cu/Si. - 46 Hình 2.11 Mẫu thí nghiệm dầm uốn 4 điểm (mẫu I. - 46 Hình 2.12 Chế tạo vết nứt ban đầu trên mẫu thí nghiệm I. - 47 Hình 2.13 Sơ đồ máy thí nghiệm (mẫu I. - 48 Hình 2.15 Tích phân J xung quang đỉnh vết nứt. - 49 Hình 2.16 Mẫu thí nghiệm dầm công xôn (mẫu II. - 50 Hình 2.17 Sơ đồ máy thí nghiệm (mẫu II. - 51 Hình 2.18 Quy trình chế tạo mẫu thí nghiệm II. - 53 Hình 2.20 Quan hệ giữa hệ số compliance và chiều dài vết nứt. - 54 Hình 2.21 Quang phổ điện tử trên các bề mặt vật liệu phá hủy. - 55 Hình 2.23 Tiêu chuẩn phá hủy. - của bề mặt chung giữa hai lớp vật liệu Cu/Si. - 57 Hình 3.1 Cặp vật liệu ghép đôi chưa có vết nứt ban đầu. - 59 Hình 3.2 Mẫu thí nghiệm dầm công xôn. - 60 Hình 3.3 Sơ đồ và mẫu thí nghiệm “chấm” nhỏ lớp vật liệu nền. - 61 Hình 3.4 Mô hình vùng kết dính. - 62 Hình 3.5 Luật kết dính hai đường tuyến tính. - 63 Hình 3.6 Luật kết dính dạng hình thang. - 64 Hình 3.7 Luật kết dính hàm mũ. - 64 Hình 3.8 Sơ đồ hệ thống thí nghiệm. - 66 Hình 3.9 Mẫu thử và sơ đồ đặt lực. - 67 Hình 3.10 Quan hệ giữa lực và chuyển vị ở đầu đặt lực. - 67 Hình 3.11 Mô hình phần tử hữu hạn của mẫu thử với cặp vật liệu Sn/Si. - 69 Hình 3.12 Mô hình phần tử hữu hạn với lớp vật liệu kết dính nằm giữa hai lớp vật liệu Sn và Si. - 69 10 Hình 3.13 Phần tử kết dính. - 70 Hình 3.14 Ảnh hưởng của Tn(max) và n đến quan hệ giữa lực và chuyển vị của cặp vật liệu Sn/Si. - 72 Hình 3.17 Sơ đồ đặt mẫu. - 75 Hình 3.20 Quan hệ giữa tải trọng tác dụng P và chuyển vị u. - 75 Hình 3.21 Mô hình phần tử hữu hạn mẫu 4 của cặp vật liệu Cu/Si. - 78 Hình 4.1 Mặt cắt ngang của vật liệu thí nghiệm chụp bằng kính hiển vi điện tử (TEM. - 82 Hình 4.2 Mẫu dầm uốn 4 điểm sửa đổi. - 82 Hình 4.3 Cách tạo vết nứt với chiều dài ban đầu “a” trên mẫu. - 84 Hình 4.4 Mô hình phần tử hữu hạn và lưới phần tử ở đỉnh vết nứt. - 84 Hình 4.5 Quan hệ giữa tốc độ giải phóng năng lượng và góc pha hỗn hợp với chiều dài vết nứt. - 85 Hình 4.6 Sơ đồ máy thí nghiệm mỏi. - 86 Hình 4.7 Quan hệ giữa chiều dài vết nứt và số chu kỳ ở mẫu A-6. - 88 Hình 4.8 Quan hệ giữa chiều dài vết nứt và số chu kỳ ở mẫu A-1. - 88 Hình 4.9 Quan hệ giữa lực tác dụng P và chuyển vị u ở mẫu A-7. - 89 Hình 4.10 Quang phổ điện tử trên bề mặt vật liệu phá hủy. - 89 Hình 4.11 Đường cong mỏi của bề mặt chung giữa hai lớp vật liệu Cu/Si. - 92 11 ẦU 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 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 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 quan tâm. - Với những kết cấu có kích thước dưới micrô mét, việc xác định các tiêu chuẩn phá hủy còn xét đến một số yếu tố ảnh hưởng như chiều dày lớp vật liệu thành phần, chất lượng bề mặt và góc ghép đôi giữa hai lớp vật liệu. - Mặc dù, độ bền cơ học của bề mặt chung giữa các lớp vật liệu có chiều dày dưới micrô mét đã được nhiều nghiên cứu đề cập, tuy nhiên việc xác định tiêu chuẩn phá hủy 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. - 12 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. - tiêu nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu của luận án là xác định tiêu chuẩn phá hủy của bề mặt chung giữa hai lớp vật liệu có chiều dày cỡ micrô, nanô mét với các nội dung cụ thể sau: (1) Xây dựng tiêu chuẩn phá hủy của bề mặt chung giữa hai lớp vật liệu có vết nứt ban đầu. - (2) Xác định tiêu chuẩn phá hủy của bề mặt chung giữa hai lớp vật liệu chưa có vết nứt ban đầu. - (3) 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. - Tiêu chuẩn phá hủy (độ bền phá hủy cơ học) của bề mặt chung giữa 2 lớp vật liệu. - Chiều dày các lớp vật liệu ở kích thước micrô, nanô mét (lớp vật liệu mỏng. - Các cặp vật liệu thông dụng trong các thiết bị vi cơ điện tử như đồng/silic (Cu/Si) và thiếc/silic (Sn/Si)
Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn hoặc xem
Tóm tắt