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

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

7
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

8
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 tố
c
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

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 2.14 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

10
Hình 3.13 Phần tử kết dính

70
Hình 3.14 Ảnh hưởng của T
n(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 T
n(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

G
i
trong vùng II

91
Hình 4.13 Hàm quan hệ giữa da/dN và

G
i
cho toàn bộ đường cong mỏi

92

11

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.

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”.
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.

13

- 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.

14

- 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

15

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.




16
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]).

(a) Chíp vi xử lý
(c) Phá hỏng do bong tách
vật liệu
Vật liệu cách điện
Vật liệu dẫn điện
Mối ghép bám dính
(b) Các lớp vật liệu ghép
bám dính với nhau
Hình 1.1 Mối ghép bám dính và dạng phá hỏng cơ học trong chíp vi xử lý



17
Các liên kết bám dính, về cơ bản được tạo bởi từ hai phương pháp: phương pháp
gián tiếp và phương pháp trực tiếp. Phụ thuộc vào phạm vi ứng dụng và kích thước của
kết cấu, các phương pháp chế tạo được lựa chọn phù hợp. Với kết cấu đa lớp có kích
thước từ micrô mét trở lên, liên kết bám dính thường được chế tạo bằng phương pháp
gián tiếp. Hai lớp vật liệu được ép chặt vào nhau, nhờ các tác nhân như nhiệt độ, áp
suất, liên kết bám dính giữa hai lớp vật liệu được hình thành (Hà Minh Hùng và Lương
Văn Tiến [1], Lương Văn Tiến [2]). Trong khi đó, liên kết bám dính giữa các lớp vật
liệu có chiều dày nhỏ hơn micrô mét lại được thực hiện bằng phương pháp trực tiếp.
Nguyên tử của vật liệu lớp phủ được bay hơi hoặc được bắn lên bề mặt của lớp vật liệu
nền (Hirakata và cộng sự [46]). Chất lượng bám dính phụ thuộc vào phương pháp chế
tạo, vật liệu của các lớp thành phần, chất lượng bề mặt và góc ghép đôi giữa các lớp vật
liệu ([Hirakata và cộng sự [45-49], Kitamura và các tác giả [62-65]).

Theo quan điểm cơ học, độ bền bề mặt chung của mối ghép bám dính thường là yếu,
bong tách cơ học giữa các lớp vật liệu (Hình 1.1c) có thể xảy ra dưới tác dụng của tải
trọng và gây ra lỗi chức năng hoặc phá hỏng thiết bị (Hirakata và cộng sự [45-49],
Kitamura và các tác giả [62-65]). Vì liên kết bám 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 180
o
/180
o
), tiêu chuẩn phá hủy cơ học của bề mặt chung giữa hai lớp vật
liệu dựa trên lý thuyết của cơ học phá hủy đàn hồi tuyến tính đã được nhiều nghiên cứu
đề cập (Charalambides và các tác giả [16], Choupani [17-20], Costa-Mattosa và đồng
nghiệp [21], Dalgleish và cộng sự [23-25], Elssner và cộng sự [33], England [34], Evans
và các tác giả [35,36], Erdogan [37], Harris và Adams [42], Irwin [55], Korn và cộng sự
[68], Molitor [79], Rice [84-86], Suo và Hutchinson [90], Tong [99-101], Williams
[103]). Theo Hutchinson và Suo [52], tiêu chuẩn phá hủy được xác định thông qua tốc
độ giải phóng năng lượng G và hệ số cường độ ứng suất K. Vết nứt bắt đầu lan truyền
khi hoặc tốc độ giải phóng năng lượng đạt đến tốc độ giải phóng năng lượng tới hạn G
c

(G  G
c
) hoặc hệ số cường độ ứng suất đạt đến hệ số cường độ ứng suất tới hạn K
c
(K 
K
c
). Tốc độ giải phóng năng lượng G (hệ số cường độ ứng suất K) phụ thuộc vào tải

trọng, kích thước hình học của vết nứt và điều kiện biên. Trong khi đó, tốc độ giải
phóng năng lượng tới hạn G
c
(hệ số cường độ ứng suất tới hạn K
c
) phụ thuộc vào tính
chất của vật liệu và được coi là tiêu chuẩn phá hủy (độ bền phá hủy) của cặp vật liệu. Ở
một nghiên cứu khác, trong trường hợp vết nứt phát triển đàn hồi tuyến tính, Rice [85]
đã đề xuất tích phân J xung quanh đỉnh vết nứt và đã chứng minh được rằng tích phân J


18
không phụ thuộc vào đường lấy tích phân và giá trị tích phân J đúng bằng tốc độ giải
phóng năng lượng G, (J = G) (Anderson [6]). Với chứng minh này, tích phân J xung
quanh đỉnh vết nứt cũng được coi là tiêu chuẩn phá hủy của bề mặt chung giữa hai lớp
vật liệu. Vết nứt bắt đầu lan truyền chỉ khi tích phân J đạt đến giá trị tới hạn J
c
(J  J
c
).


Dạng phá hủy của các kết cấu được tổ hợp từ ba kiểu phá hủy cơ bản: kiểu phá hủy
mode I (kiểu mở), mode II (kiểu trượt) và mode III (kiểu xé) (Hình 1.3) (ASTM D5528-
01 [7]). Trong thực tế, kết cấu thường xảy ra các kiểu phá hủy như kiểu phá hủy thuần
túy mode I, mode II hoặc kiểu phá hủy hỗn hợp (bao gồm cả mode I và mode II). Đối
với phá hủy kiểu mode I và II, tiêu chuẩn phá hủy thường được biểu diễn qua hệ số
cường độ ứng suất K
I
và K

II
tương ứng. Tuy nhiên, với kiểu phá hủy hỗn hợp, tiêu
Hình 1.3 Kiểu phá hủy cơ bản của vật liệu dưới tác dụng của tải trọng


(a) Kiểu mở
(b) Kiểu trượt
(c) Kiểu xé
P

P

P

P

P

P

Mode I Mode II
Mode III
Hình 1.2 Cặp vật liệu ghép đôi có vết nứt ban đầu
Vết nứt
Bề mặt chung

180
o
Vật liệu 1

Vật liệu 2

Đỉnh vết nứt

180
o


19
chuẩn phá hủy thường được biểu diễn qua tốc độ giải phóng năng lượng G (Hutchinson
và Suo [52]).
G =

(
 
(1.1)
trong đó,

(

là hàm độ bền phá hủy cơ học của bề mặt chung và được thiết lập bằng
phương pháp nội suy dựa trên những dữ liệu thí nghiệm của tập hợp các kiểu phá hủy.


là góc pha hỗn hợp và được xác định dựa vào hệ số cường độ ứng suất K
I
,
II
hoặc G
I

,
II

(G
I
và G
II
tương ứng là tốc độ giải phóng năng lượng ở mode I, mode II). Hàm

(

được coi là tiêu chuẩn phá hủy tổng quát của bề mặt chung giữa hai lớp vật liệu.
Để xác định tiêu chuẩn phá hủy của bề mặt chung giữa hai lớp vật liệu, có nhiều
phương pháp với các mẫu thí nghiệm khác nhau đã được đề nghị, ví dụ như phương
pháp thí nghiệm sử dụng dầm công xôn kép DCB (Double - cantilever beam) (Daghyani
và các tác giả [22]) (Hình 1.4), dầm uốn ENF (End notched flexure) (Reza và cộng sự
[87]) (Hình 1.5), dầm uốn hỗn hợp MMF (Mixed-mode flexure) (Davidson và các tác
giả [26]) (Hình 1.6), dầm công xôn kiểu sandwiched (sandwiched cantilever) (Davidson
và các tác giả [24], Kitamura và cộng sự [62]) (Hình 1.7), dầm uốn 3 điểm (Zoua và
cộng sự [109]) (Hình 1.8), dầm uốn 4 điểm (Hofinger và cộng sự [51]) (Hình 1.9). Tuy
nhiên, những mẫu dầm này chỉ xác định được tiêu chuẩn ở một kiểu phá hủy xác định
nào đó như kiểu phá hủy thuần túy mode I, mode II hoặc một vài kiểu phá hủy hỗn hợp
nhất định. Gần đây, mô hình mẫu thử đĩa Brazil-nut (Wang và Suo [104]) (Hình 1.10)
và đĩa Arcan (Choupani [17]) (Hình 1.11) được sử dụng nhiều để xác định tiêu chuẩn
phá hủy. Ưu điểm nổi trội của các mẫu này là xác định được không những các kiểu phá
hủy thuần túy mode I, mode II mà còn xác định được các kiểu phá hủy hỗn hợp bất kỳ.
Mặc dù tiêu chuẩn phá hủy tổng quát có thể được thiết lập bằng phương pháp này,
nhưng việc chuẩn bị các mẫu thí nghiệm có vết nứt ban đầu là không dễ và đặc biệt khó
khăn khi chiều dày của các lớp vật liệu nhỏ hơn micrô mét. Vì những lý do trên, việc
xác định tiêu chuẩn phá hủy tổng quát của bề mặt chung giữa các lớp vật liệu có chiều

dày cỡ micrô, nanô mét vẫn chưa có nhiều công bố.

[
Vật liệu 1

Vật liệu 2
P

P

Vết nứt
ban đầu
Hình 1.4 Thí nghiệm dầm công xôn kép DCB



20


Hình 1.6 Thí nghiệm dầm uốn hỗn hợp MMF


Hình 1.7 Thí nghiệm dầm công xôn kiểu sandwiched

a
P
P/2
P/2
Chiều dài vết nứt
Vật liệu 1

Vật liệu 2
P

Vật liệu 1
Vật liệu 2
Vết nứt
Vật liệu 1

Vật liệu 2

P

P/2

P/2

Vết nứt
Hình 1.5 Thí nghiệm dầm uốn ENF



21

Hình 1.8 Thí nghiệm dầm uốn 3 điểm


Hình 1.9 Thí nghiệm dầm uốn 4 điểm


Hình 1.10 Mẫu thử đĩa Brazil-nut

P

P



o
Vật liệu 1
Vật liệu 2

Vết nứt

Phóng to vùng vết nứt
Đỉnh vết nứt
P/2
Vết nứt
Vật liệu 1
Vật liệu 2
P/2
P
P/2

P/2

Vết nứt

Vật liệu 1
Vật liệu 2