LUẬN án TIẾN sĩ cơ học tiêu chuẩn phá hủy của bề mặt chung giữa hai lớp vật liệu có chiều dày cỡ nanô mét

Mở 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. Trong quá trình chế tạo cũng như làm việc, tải trọng tác dụng lên kết cấu, thiết bị từ nhiều nguồn khác nhau, ví dụ như ngoại lực, ứng suất dư, nhiệt độ.v.v. 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”.

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. PGS.TS. ĐỖ VĂN TRƯỜNG 2. TS. TRỊNH ĐỒNG TÍNH Hà Nội – 2015 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu và kết quả trong luận án là trung thực và chưa có ai công bố trong bất kỳ công trình nào. 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 107.02.16.09 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 107.02-2012.20 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. Các thông tin tham khảo bắt nguồn từ nghiên cứu khác, tôi cam kết đã trích dẫn đầy đủ trong luận án. TM. Tập thể hướng dẫn Tác giả luận án PGS. TS. Đỗ Văn Trường Vương Văn Thanh LỜI CẢM ƠN Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc và chân thành nhất đến hai thầy của tôi là PGS.TS. Đỗ Văn Trường và TS. Trịnh Đồng Tính - Đại học Bách khoa Hà Nội. Các thầy đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và động viên trong suốt quá trình nghiên cứu để tôi có thể hoàn thành luận án này. Tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn đến sự giúp đỡ quý báu của các thầy trong Bộ môn Cơ sở Thiết kế máy & Robot - Viện Cơ khí - Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo mọi điều kiện giúp đỡ tôi trong suốt thời gian làm luận án cũng như các đóng góp quý báu về luận án. Tôi cũng xin được gửi lời cám ơn đến GS. Takayuki Kitamura - Đại học Kyoto - Nhật Bản, GS. Hiroyuki Hirakata - Đại học Osaka - Nhật Bản về việc cho phép sử dụng các kết quả nghiên cứu chung và các góp ý quý báu về luận án. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thành viên trong nhóm nghiên cứu của PGS.TS. Đỗ Văn Trường: ThS. Nguyễn Tuấn Hưng, ThS. Lê Văn Lịch, ThS. Vũ Văn Tuấn và các thành viên khác trong nhóm nghiên cứu đã giúp đỡ, động viên trong trong suốt thời gian tôi thực hiện luận án. Xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong Viện Cơ khí, Viện Đào tạo sau đại học của Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tận tình giúp đỡ và góp ý tác giả trong quá trình thực hiện luận án. Tôi xin cảm ơn Quỹ phát triển khoa học và Công nghệ Quốc gia (Nafosted) đã hỗ trợ kinh phí cho đề tài mã số 107.02.16.09 và đề tài mã số 107.02.2012.20 để tôi thực hiện nghiên cứu này. Cuối cùng tôi xin được gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất tới gia đình, bố mẹ, vợ và con gái Bảo Linh đã động viên, giúp đỡ tôi trong thời gian nghiên cứu, thực hiện luận án. Hà Nội, ngày tháng năm 2015 Nghiên cứu sinh Vương Văn Thanh 1 MỤC LỤC Trang MỤC LỤC 1 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 4 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU TRONG LUẬN ÁN 7 DANH MỤC CÁC HÌNH TRONG LUẬN ÁN 8 MỞ ĐẦU 11 Lý do chọn đề tài 11 Mục tiêu nghiên cứu………………………………………………………… 12 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu…………………………………………………. 12 Phương pháp nghiên cứu………………………………………………………… 13 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án………………………………………… 13 Những điểm mới của luận án……………………………………………………… 13 Bố cục của luận án………………………………………………………………… 14 Chương 1. Tổng quan 16 1.1. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 16 1.2. Kết luận chương 1 26 Chương 2. Tiêu chuẩn phá hủy của bề mặt chung giữa hai lớp vật liệu có vết nứt ban đầu 27 2.1. Giới thiệu 27 2.2. Tiêu chuẩn phá hủy trên bề mặt chung giữa hai lớp vật liệu 32 2.2.1. Tiêu chuẩn phá hủy với   = 0 36 2.2.2. Tiêu chuẩn phá hủy với    0 36 2.3. Thiết lập tiêu chuẩn phá hủy tổng quát của bề mặt chung giữa hai lớp vật liệu. 38 2 2.3.1. Phương pháp xác định 38 2.3.2. Kiểm tra tính đúng đắn của phương pháp 41 2.3.2.1. Cặp vật liệu có hệ số  = 0 41 2.3.2.2. Cặp vật liệu có hệ số   0 43 2.3.3. Tiêu chuẩn phá hủy tổng quát của bề mặt chung giữa hai lớp vật liệ u Cu/Si 45 2.3.3.1. Thí nghiệm 1 45 2.3.3.2. Thí nghiệm 2 50 2.3.3.3. Thiết lập tiêu chuẩn phá hủy tổng quát  56 2.4. Kết luận chương 2 58 Chương 3. Tiêu chuẩn phá hủy của bề mặt chung giữa hai lớp vật liệ u không có vết nứt ban đầu…………………………………………………… 59 3.1. Giới thiệu……………………………………………………………………… 59 3.2. Mô hình vùng kết dính 62 3.3. Xác định tiêu chuẩn phá hủy bề mặt chung của cặp vật liệu Sn/Si 66 3.3.1. Dữ liệu thí nghiệm Hirakata [49] 66 3.3.2. Phương pháp xác định 68 3.3.3. Kết quả và thảo luận 71 3.4. Xác định tiêu chuẩn phá hủy bề mặt chung của cặp vật liệu Cu/Si 73 3.4.1. Dữ liệu thí nghiệm Sumigawa [94] 73 3.4.2. Phương pháp xác định 75 3.4.3. Kết quả và thảo luận 76 3.5. Kết luận chương 3 79 Chương 4. Tiêu chuẩn phá hủy của bề mặt chung giữa hai lớp vật liệ u có vết nứt ban đầu dưới tác dụng của tải trọng có chu kỳ 80 4.1. Giới thiệu 80 4.2. Thí nghiệm 81 3 4.2.1. Vật liệu và mẫu thí nghiệm 81 4.2.2. Thí nghiệm mỏi 86 4.3. Kết quả và thảo luận 87 4.4. Kết luận chương 4 92 Kết luận và hướng phát triển của luận án 93 Kết luận 93 Hướng phát triển của luận án 95 TÀI LIỆU THAM KHẢO 96 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 107 4 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 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 G I - Tốc độ giải phóng năng lượng mode I G II - Tốc độ giải phóng năng lượng mode II G III - Tốc độ giải phóng năng lượng mode III G I c - Tốc độ giải phóng năng lượng tới hạn mode I G II c - Tốc độ giải phóng năng lượng tới hạn mode II G III c - Tốc độ giải phóng năng lượng tới hạn mode III G c - Tốc độ giải phóng năng lượng tới hạn G max - Tốc độ giải phóng năng lượng lớn nhất G min - Tốc độ giải phóng năng lượng nhỏ nhất J - Tích phân xung quanh đỉnh vết nứt J J c - Tích phân J tới hạn K I - Hệ số cường độ ứng suất mode I K II - Hệ số cường độ ứng suất mode II K III - Hệ số cường độ ứng suất mode III K c - Hệ số cường độ ứng suất tới hạn K I c - Hệ số cường độ ứng suất tới hạn mode I 5 K II c - Hệ số cường độ ứng suất tới hạn mode II K III c - Hệ số cường độ ứng suất tới hạn mode III L - Đường lấy tích phân N - Số chu kỳ P- Lực tác dụng P c - Lực tác dụng tới hạn P max - Lực tác dụng lớn nhất P min - Lực tác dụng nhỏ nhất Q 1 , Q 2 - Hệ số mũ R – Bán kính mẫu thử T – Lực kết dính T m – Lực kết dính lớn nhất T n – Lực kết dính theo phương pháp tuyến T t – Lực kết dính theo phương tiếp tuyến T i - 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 u i - Thành phần của véc tơ chuyển vị 6 w – Mật độ năng lượng biến dạng  - Hệ số Dundur  (  )- Hàm độ bền phá hủy bề mặt chung  o - Công phân ly bề mặt trên một đơn vị diện tích  n - Chuyển vị phân ly lớn nhất  - Chuyển vị phân ly  n - Chuyển vị phân ly tới hạn  G- Biên độ tốc độ giải phóng năng lượng  G i - Biên độ tốc độ giải phóng năng lượng thứ i  G th - Biên độ tốc độ giải phóng năng lượng ngưỡng dưới  G c - Biên độ tốc độ giải phóng năng lượng tới hạn  K- Biên độ hệ số cường độ ứng suất  K i - Biên độ hệ số cường độ ứng suất thứ i ij  - Ten xơ biến dạng  - Hệ số kể đến ảnh hưởng của mode II đến tiêu chuẩn phá hủy µ – Mô đun trượt  - Hệ số poisson  - Góc pha hỗn hợp  - Hệ số kỳ dị ứng suất ij  - Ten xơ ứng suất  ij c - Ứng suất tập trung tới hạn [...]... 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 Mục 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. .. giữa hai lớp vật liệu có chiều dày cỡ nanô mét với những nội dung chính sau đây: - Xây dựng tiêu chuẩn phá hủy tổng quát 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 - Thiết lập tiêu chuẩn phá hủy của bề mặt chung giữa hai lớp vật liệu có vết nứt ban đầu dưới tác dụng của. .. 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 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: - Tiêu chuẩn phá hủy (độ bền phá hủy cơ học) của bề. .. Lớp vật liệu mỏng a Lớp vật liệu nền (j) Phương pháp làm lõm 31 Đầu đặt lực Lớp vật liệu phủ Lớp vật liệu mỏng Lớp vật liệu nền Lớp vật liệu nền 1 a (k) Phương pháp làm lõm cải tiến Vết nứt trên bề mặt chung Vết nứt ban đầu Lớp vật liệu phủ Lớp vật liệu mỏng Lớp vật liệu nền (l) Thí nghiệm lớp phủ Hình 2.1 Các phương pháp xác định tiêu chuẩn phá hủy của bề mặt chung giữa hai lớp vật liệu 2.2 Tiêu chuẩn. .. luận án tập trung nghiên cứu Chương 2 Tiêu chuẩn phá hủy của bề mặt chung giữa hai lớp vật liệu có vết nứt ban đầu Chương này đề cập đến việc xác định tiêu chuẩn phá hủy của bề mặt chung giữa hai lớp vật liệu có vết nứt ban đầu Phương pháp là 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 để thiết lập tiêu chuẩn phá hủy tổng quát của bề mặt chung. .. chuẩn phá hủy của bề mặt chung giữa hai lớp vật liệu ở kích thước micrô và nanô mét không những ở kiểu phá hủy thuần túy mode I (kiểu mở), mode II (kiểu trượt) mà còn ở kiểu phá hủy hỗn hợp bất kỳ Chương 3 Tiêu chuẩn phá hủy của bề mặt chung giữa hai lớp vật liệu không có vết nứt ban đầu Trọng tâm của chương 3 là xác định tiêu chuẩn phá hủy của bề mặt chung giữa hai lớp vật liệu mỏng khi không có vết... dính giữa các lớp vật liệu là một trong những chỉ tiêu quan trọng ảnh hưởng đến độ tin cậy của thiết bị, nên việc xác định tiêu chuẩn phá huỷ của bề mặt chung giữa các lớp vật liệu là việc làm cần thiết Đối với kết cấu vật liệu có vết nứt ban đầu (Hình 1.2, góc ghép đôi giữa 2 cặp vật liệu là xấp xỉ 180o/180o), tiêu chuẩn phá hủy cơ học của bề mặt chung giữa hai lớp vật liệu dựa trên lý thuyết của cơ học. .. Nguyễn Tiến Dương [30] tập trung nghiên cứu vào các tiêu 25 chuẩn phá hủy Ngoài ra, theo sự hiểu biết của tác giả thì chưa có ai hướng vào nghiên cứu tiêu chuẩn phá hủy của bề mặt chung giữa hai lớp vật liệu có chiều dày cỡ micrô và nanô mét Chính vì vậy, việc xác định tiêu chuẩn phá hủy của bề mặt chung giữa các lớp vật liệu mỏng là một vấn đề mới ở Việt Nam Đây là một vấn đề phức tạp nhưng có tính... Cu/Si Chương 4 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 Mục đích của chương 4 là xây dựng tiêu chuẩn phá hủy của bề mặt chung giữa hai lớp vật liệu mỏng dưới tác dụng của tải trọng có chu kỳ Mẫu thử dầm uốn 4 điểm “sửa đổi” chỉ có một vết nứt ban đầu cho cặp vật liệu đồng (Cu) (chiều dày 200 nm) và silic (Si) (chiều dày 500 m)... độ bền phá hủy thực nghiệm dựa trên các giá trị ,  và G Đầu đặt lực Lớp vật liệu mỏng P Lớp vật liệu nền (a) Thí nghiệm trầy xước P Lớp vật liệu phủ Lớp vật liệu mỏng Lớp vật liệu nền (b) Thí nghiệm bóc lớp 28 Lớp vật liệu mỏng Lớp vật liệu nền P (c) Thí nghiệm làm phồng P/2 Vết nứt P/2 mỏng vật liệu mỏng Lớp Vật liệuliệu nền Lớp vật nền P (d) Thí nghiệm dầm uốn 3 điểm P Lớp vật liệu nền Lớp vật liệu . 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. 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. có chiều dày cỡ nanô mét . Mục 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