Tài liệu 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 PGS. TS. Đỗ Văn Trường Tác giả luận án 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 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 1 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 liệu 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 liệu 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 liệu 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 2 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 3 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 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 4 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 5 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 Gi - Biên độ tốc độ giải phóng năng lượng thứ i Gth- Biên độ tốc độ giải phóng năng lượng ngưỡng dưới Gc- Biên độ tốc độ giải phóng năng lượng tới hạn K- Biên độ hệ số cường độ ứng suất Ki - 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 ijc - Ứng suất tập trung tới hạn 6 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU TRONG LUẬN ÁN Trang Bảng 2.1 Các bước tiến hành xác định tiêu chuẩn phá hủy (…………………….. 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............................................... 44 Bảng 2.4 Kích thước và lực tác dụng tới hạn trên mẫu thí nghiệm I............................. 47 Bảng 2.5 Hằng số vật liệu của các lớp vật liệu dùng trong mẫu thí nghiệm I............... 50 Bảng 2.6 Kích thước và lực tác dụng tới hạn trên mẫu thí nghiệm II............................56 Bảng 3.1 Kích thước mẫu thử và giá trị lực tới hạn.......................................................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.................... 83 Bảng 4.2 Biên độ tốc độ giải phóng năng lượng trên các mẫu thử................................ 87 7 DANH MỤC CÁC HÌNH TRONG LUẬN ÁN Trang Hình 1.1 Mối ghép bám dính và dạng phá hỏng trong chíp vi xử lý............................. 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  với ≠ ......... 44 8 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 2.14 Mô hình phần tử hữu hạn của mẫu và chia lưới ở đỉnh vết nứt của 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............................................................. 52 Hình 2.19 Quan hệ giữa lực P và chuyển vị u ở đầu đặt lực (mẫu 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 2.22 Mô hình phần tử hữu hạn và chia lưới ở đỉnh vết nứt của mẫu II.................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 9 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................................................................................................ 71 Hình 3.15 Tham số luật kết dính được lựa chọn bằng phương pháp thử....................... 72 Hình 3.16 Đường cong P-u thu được từ mô phỏng và thí nghiệm của cặp Sn/Si..........72 Hình 3.17 Sơ đồ đặt mẫu................................................................................................73 Hình 3.18 Kích thước mẫu và sơ đồ tải trọng................................................................ 74 Hình 3.19 Vùng vết nứt bắt đầu phát triển chụp bằng kính hiển vi điện tử (TEM)....... 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............................... 76 Hình 3.22 Ảnh hưởng của Tn(max) và n lên độ cứng của hệ........................................... 77 Hình 3.23 Tham số luật kết dính được chọn bằng phương pháp thử............................. 78 Hình 3.24 Đường cong P-u thu được từ mô phỏng và thí nghiệm của cặp 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.................. 90 Hình 4.12 Hàm quan hệ giữa da/dN và Gi trong vùng II............................................91 Hình 4.13 Hàm quan hệ giữa da/dN và Gi cho toàn bộ đường cong mỏi................... 92 10 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 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 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. Bên cạnh đó, quy trình công nghệ chế tạo cũng như độ chính xác của các thiết bị thí nghiệm cũng đã được thảo luận. 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. 11 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”. 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 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 mặt chung giữa 2 lớp vật liệu. Phạm vi nghiên cứu: - 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). Phương pháp nghiên cứu Để đạt được mục tiêu đặt ra, phương pháp nghiên cứu là kết hợp giữa lý thuyết, thực nghiệm và tính toán số. 12 - 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 (thin film). - Tiến hành các thí nghiệm ở kích thước micrô, nanô mét để tìm ra các giá trị lực và chuyển vị tới hạn. - 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, góc pha hỗn hợp , tích phân J). Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án Ý nghĩa khoa học: Do chiều dày của các lớp vật liệu trong các thiết bị vi cơ điện tử (chip, sensor, actuator..) rất mỏng (cỡ nanô mét), thực nghiệm để tìm ra tiêu chuẩn phá hủy của bề mặt chung giữa các lớp vật liệu không đơn giản và đặc biệt khó khăn trong các kết cấu phức tạp khó tiến hành thí nghiệm. Nghiên cứu đã đề xuất các phương pháp để xác định tiêu chuẩn phá hủy bề mặt chung giữa các lớp vật liệu mỏng dưới tác dụng của tải trọng cơ học (tải trọng tĩnh, tải trọng chu kỳ). Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả của nghiên cứu này 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 (ví dụ như trong các chíp vi xử lý, sensor, actuator...). Từ các kết quả nghiên cứu thu được 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 - Một phương pháp mới được đề nghị để thiết lập tiêu chuẩn phá hủy tổng quát (hàm độ bền phá hủy) của bề mặt chung giữa các lớp vật liệu có vết nứt ban đầu. - Dựa vào phương pháp đề nghị, tiêu chuẩn phá hủy của bề mặt chung giữa hai lớp vật liệu Cu/Si được xác định không những ở kiểu phá hủy thuần túy mode I, mode II mà còn ở các kiểu phá hủy hỗn hợp bất kỳ. 13 - Đối với kết cấu vật liệu chưa có vết nứt ban đầu, tiêu chuẩn phá hủy của bề mặt chung giữa hai lớp vật liệu Sn/Si và Cu/Si được xác định bằng phương pháp năng lượng thông qua mô hình vùng kết dính. - Quy luật phát triển và lan truyền của vết nứt dọc trên bề mặt chung giữa hai lớp vật liệu Cu/Si có vết nứt ban đầu chịu tác dụng của tải trọng có chu kỳ được khám phá. Bố cục của luận án Luận án bao gồm phần mở đầu, 4 chương, kết luận, hướng phát triển của luận án và tài liệu tham khảo. Mỗi chương đề cập đến một vấn đề nghiên cứu cụ thể như sau: Chương 1. Tổng quan Nội dung của chương này tập trung vào trình bày tổng quan về các tiêu chuẩn phá hủy của bề mặt chung giữa hai lớp vật liệu và phân tích các công trình nghiên cứu đã có của các tác giả trong và ngoài nước liên quan đến nội dung luận án. Trên cơ sở đó đưa ra những vấn đề còn tồn tại, những vấn đề 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 giữa hai lớp vật liệu. Thí nghiệm dầm uốn 4 điểm 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 cho kiểu phá hủy thứ hai. Một hàm độ bền phá hủy thực nghiệm đặc trưng cho ứng xử tách lớp của bề mặt chung giữa hai lớp vật liệu được sử dụng. Kết quả thu được cho thấy phương pháp đề nghị có thể được áp dụng để xác định tiêu 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 nứt ban đầu. Tốc độ giải phóng năng lượng G được tính thông qua công của sự phân ly bề mặt trên một đơn vị diện tích o qua mô hình 14 vùng kết dính. Nhằm mục đích xác định độ bền phá hủy của bề mặt chung giữa hai lớp vật liệu Sn/Si và Cu/Si, thí nghiệm tách lớp của hai cặp vật liệu Sn/Si và Cu/Si được sử dụng. Mô hình vùng kết dính được xây dựng qua phần mềm ABAQUS 6.10. Kết quả thu được là tiêu chuẩn tách lớp bề mặt chung của hai cặp vật liệu Sn/Si và 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) được thực hiện. Đường cong phá hủy mỏi của bề mặt chung giữa hai lớp vật liệu Cu và Si được xây dựng dựa trên các dữ liệu thí nghiệm. Tiêu chuẩn phá hủy mỏi (phương trình đường cong mỏi) da/dN - G được thiết lập cho từng vùng (vùng vết nứt bắt đầu phát triển, vùng vết nứt lan truyền ổn định và vùng vết nứt phát triển bất ổn định) và toàn bộ các vùng. Kết luận và hướng phát triển của luận án Nội dung của phần này là tổng hợp các kết quả đạt được, kết luận và hướng phát triển của luận án. 15 Chương 1. Tổng quan 1.1. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước Ngày nay, các liên kết bám dính được ứng dụng nhiều trong các ngành công nghiệp như ngành công nghiệp ô tô, hàng không và ngành công nghiệp vi-cơ điện tử (Hà Minh Hùng và Lương Văn Tiến [1], HartSmith [41], Kinloch [58-60], Kitamura và cộng sự [65]). Độ bền, độ ổn định làm việc của các kết cấu phụ thuộc đáng kể vào chất lượng của các liên kết bám dính. So với các liên kết truyền thống như liên kết bằng bu lông, đinh tán, hàn thì liên kết bám dính có ưu điểm nổi trội như kết cấu đơn giản, nhẹ và dễ bố trí các chi tiết. Nhờ liên kết bám dính có thể giảm kích thước, trọng lượng nên các kết cấu có khả năng tích hợp thêm các chi tiết để làm tăng chức năng của thiết bị. Trong một số kết cấu, liên kết bám dính là bắt buộc và không thể thay thế (Kitamura và các tác giả [62]). Hình 1.1a,b minh họa mối ghép “bắt buộc” trong chíp vi xử lý máy tính cá nhân. Nhờ ưu điểm của liên kết, các thiết bị vi cơ điện tử (chíp, sensor, actuator) ngày càng thu nhỏ nhưng tính năng vẫn được đảm bảo (Hirakata và cộng sự [46]). Vật liệu dẫn điện Vật liệu cách điện Mối ghép bám dính (b) Các lớp vật liệu ghép bám dính với nhau (c) Phá hỏng do bong tách vật liệu (a) Chíp vi xử lý Hình 1.1 Mối ghép bám dính và dạng phá hỏng cơ học trong chíp vi xử lý 16