含界面微纳米结构断裂行为研究

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1、博士学位论文含界面微纳米结构断裂行为研究INVESTIGATIONONFRACTUREBEHAVIORSOFMICRO/NANO-SCALESTRUCTRUESWITHINTERFACES黄凯哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：O34学校代码：10213国际图书分类号：531密级：公开工学博士学位论文含界面微纳米结构断裂行为研究博士研究生：黄凯导师：北村隆行教授果立成教授申请学位：工学博士学科：力学所在单位：航天学院答辩日期：2018年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:O34U.D.C:531Dissertatio

2、nfortheDoctoralDegreeinEngineeringINVESTIGATIONONFRACTUREBEHAVIORSOFMICRO/NANO-SCALESTRUCTRUESWITHINTERFACESCandidate：KaiHUANGSupervisors：Prof.TakayukiKITAMURAProf.LichengGUOAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：MechanicsAffiliation：SchoolofAstronauticsDateofDef

3、ence：June,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要微纳米结构已经广泛应用于微电子技术所涉及的航空航天、国防、计算机、高铁、汽车等诸多领域，比如芯片上的超大规模集成电路，对整个国民经济贡献巨大。然而，由界面破坏或层内缺陷（如裂纹、孔隙等）引发的复杂断裂失效行为是阻碍其进一步向小型化方向发展的主要因素。当材料的尺寸缩小到微纳米尺度，断裂控制区（比如裂尖奇异应力场）的尺寸也被限制在若干个纳米范围内。这种情况下，基于连续介质假设的传统断裂力学可能无法继续用来解释

4、由若干离散原子控制的断裂行为。因此，直接开展微纳米尺度断裂力学实验和理论研究是当前该领域的重点问题。本文的主要内容包括：本文首先研究了微纳米结构界面端裂纹启裂行为。借助聚焦离子束（FocusedIonBeam，FIB）技术制备了一系列不同尺寸的微纳米悬臂梁试件；以微纳米薄膜Cu/Si界面为研究对象，在透射电子显微镜（TransmissionElectronMicroscopy，TEM）环境下开展了微纳米悬臂梁弯曲原位加载观测实验。结果发现大范围塑性变形控制着界面端附近裂纹启裂的区域。基于连续介质界面端奇异应力场理论，研究了大范围屈服条件下该结构界面端附

5、近的应力分布，确定了界面端奇异应力场的尺寸，并获得了控制界面端裂纹启裂的临界应力强度参数。该临界应力强度参数与界面端奇异应力场的尺寸无关。结果表明界面端附近10nm尺度的奇异应力场控制着界面端裂纹启裂行为，揭示了经典界面端奇异应力场理论在10nm尺度依然适用。然后，研究了微纳米单晶硅非稳定裂纹扩展行为。借助FIB技术制备了微纳米梯形双悬臂梁试件；基于TEM原位观测技术，设计并开展了微纳米单晶硅双悬臂梁非稳定裂纹扩展原位加载观测实验。原位观测到微纳米单晶硅沿(011)解理面裂纹启裂、扩展及止裂的整个过程，获得了该材料的断裂韧性、止裂韧性以及表面能密度，并

6、提出了微纳米尺度非稳定裂纹扩展准则。基于含预裂纹微纳米悬臂梁弯曲原位观测断裂力学实验，对微纳米结构竞争性断裂行为进行了研究。建立了一套基于交互作用积分和内聚力模型的微纳米结构竞争性断裂行为的理论分析模型。基于实验结果，提取了分别表征裂纹扩展和界面开裂两种失效模式的关键断裂参数：SiN的层内断裂韧性和SiN/Cu界面的内聚力参数，即内聚力强度和界面特征长度。结合实验验证，该竞争性断裂行为分析模型预报了含预裂纹微纳米悬臂梁试件的断裂失效模式。该工作为微纳米结构的断裂力学实验设计和强度检测提供了指导依据。-I-哈尔滨工业大学工学博士学位论文基于目前难以有效地

7、开展微纳米尺度动态断裂力学实验的现状，本文最后对适用于动态载荷下界面裂纹问题的理论模型进行了研究。推导了可以求解含复杂界面非均匀材料动态界面断裂参量的交互作用积分方法。由于该交互作用积分表达式不含任何的材料导数项，该交互作用积分不仅可以用于材料属性可导的界面裂纹问题，也适用于材料属性不可导的界面裂纹问题。基于理论推导和数值验证，该交互作用积分具有积分区域无关性，且对于积分区域包含复杂材料界面的情况依然有效。最后，结合交互作用积分与扩展有限元方法，研究了材料属性的不均匀性以及裂纹附近夹杂对界面裂纹动态应力强度因子的影响。结果表明该交互作用积分可以有效地求

8、解非均匀材料界面裂纹的动态应力强度因子。该工作为将来开展微纳米结构动态断裂力学实验提供模型储备