含预制类裂纹纳米悬臂梁的断裂力学行为研究

摘要

随着微电子技术的迅速发展，很多先进的微机电器件都是由微尺度多层材料制作而成，有的尺寸已经小至纳米尺度。这种纳米多层结构的断裂行为的研究工作对于其应用设计以及安全分析都有着重要的意义。然而，目前对于这类材料的试验和相关分析工作依然十分有限。本文主要研究含预制类裂纹纳米悬臂梁的断裂力学行为。
　　第1章主要介绍了本文的课题来源及研究目的和意义，回顾并分析了国内外纳米尺度多层结构材料断裂力学相关的研究状况以及存在的不足，进而确定了本文的研究内容。
　　第2章介绍了本课题相关的理论基础，包括交互作用积分、扩展有限元以及双线性内聚力模型，推导了适用于本课题的交互作用积分方法。
　　第3章提出了一种新的针对纳米多层材料断裂力学的试验和分析方法。通过在SiN薄膜中预制一个类裂纹，研究了三种不同类型的裂纹扩展行为，包括裂纹仅在SiN薄膜中的扩展行为、SiN/Cu界面脱粘失效以及裂纹跨界面（SiN/Cu）扩展行为。
　　第4章采用交互作用积分与扩展有限元相结合的方法模拟分析了不同的裂纹扩展行为，得到了裂纹在SiN薄膜中启裂时裂尖的应力强度因子，分别得到了SiN薄膜、SiN/Cu界面以及Cu薄膜的表面能密度。
　　第5章讨论了裂纹的扩展动能，针对于本课题的脆性断裂过程，提出了一个新的关于判断裂纹扩展行为的假设。该假设认为裂纹在扩展过程中会保持扩展，直到所有的累积动能完全被裂纹扩展所形成的新的裂纹面吸收掉为止。该假设对于纳米尺度下裂纹扩展行为的分析和预测有着重要的意义。

目录

封面

中文摘要

英文摘要

目录

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 国内外研究现状及分析

1.3 本文的主要研究内容

第2章 理论基础

2.1 引言

2.2 交互作用积分

2.3 扩展有限元方法

2.4 混合型裂纹扩展准则[44]

2.5 本章小结

第3章 含预制类裂纹纳米悬臂梁断裂力学试验研究

3.1 引言

3.2 试验方法

3.3 裂纹在SiN薄膜中扩展断裂力学试验

3.4 SiN/Cu界面脱粘失效断裂力学试验

3.5 裂纹跨界面（SiN/Cu）扩展断裂力学试验

3.6 本章小结

第4章 含预制类裂纹纳米悬臂梁断裂力学行为的数值模拟研究

4.1 引言

4.2 裂纹在SiN薄膜中扩展行为的数值模拟

4.3 SiN/Cu界面表面能密度

4.4 裂纹跨界面（SiN/Cu）扩展行为的数值模拟

4.5 本章小结

第5章 含预制类裂纹纳米悬臂梁中裂纹扩展准则探讨

5.1 引言

5.2 裂纹扩展准则假设的提出

5.3 裂纹扩展准则假设的数值验证

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

声明

致谢