《矽微結構疲勞失效的分子動力學模擬研究》是依託中國人民解放軍國防科技大學，由陶俊勇擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：矽微結構疲勞失效的分子動力學模擬研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：陶俊勇
- 依託單位：中國人民解放軍國防科技大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
項目針對微機電系統（MEMS）中廣泛使用的矽微結構，採用分子動力學模擬的方法開展疲勞失效研究。首先從載荷條件、工作環境、試樣狀態、材料本質等四方面，開展彎曲、扭轉和彎扭組合三種載荷下的試驗研究，揭示矽微結構疲勞失效的影響因素；其次針對影響顯著的因素，進行疲勞過程的分子動力學模擬研究，建立疲勞失效機理；再次創新地開展疲勞的分子動力學模擬和有限元結合的多尺度建模研究，建立從原子尺度到微米尺度的定量疲勞壽命模型；最後設計加工疲勞試驗裝置，驗證疲勞失效機理和疲勞壽命模型。本項目研究注重試驗分析與數值模擬相結合，按照由里及表的思路，利用分子動力學模擬方法，在原子級建模水平上開展矽微結構的疲勞失效研究，揭示各種因素對疲勞壽命的影響，闡明疲勞失效的內在物理機制，為MEMS抗疲勞設計和可靠性的提高提供理論依據；在此基礎上揭示矽微結構疲勞壽命的定量規律，為合理準確地估算MEMS疲勞壽命提供技術手段。
結題摘要
自從1992 年研究人員首次發現矽微結構會發生疲勞以來，國內外進行了大量相關研究，但矽微結構的疲勞失效影響因素仍不明確，疲勞失效機理還存在較大爭議。已有的研究主要是根據實驗現象對疲勞過程提出的闡述，按照“由表及里”的研究思路進行的。本項目從原子級模擬出發，按照“由里及表”的新思路，以微觀尺度的分子動力學模擬方法為核心，結合試驗研究，對矽微結構的疲勞失效機理展開研究： 1. 設計和製備了矽微結構疲勞試驗裝置和試樣，開展了矽微梁彎曲強度和疲勞特性與雜質磷關係的實驗研究，結果表明磷能提高其強度和抗疲勞特性。利用分子動力學研究了雜質磷對四種典型矽微結構拉伸特性的影響，結果表明磷能夠阻止矽晶體表面裂紋的生成和擴展，進而提高其強度和抗疲勞特性；磷提高了無定形體矽的剛度和屈服強度，以及無定形矽薄膜的延展性。 2. 開展了潮濕環境對靜強度影響機理的分子動力學模擬研究，結果表明液態水降低了表面氧化層和矽微結構的斷裂強度。 3. 研究了恆定載荷下表面氧化層和矽微結構的疲勞失效機理 模擬觀察到了液態水中受到拉伸應變的α-石英試樣發生顯著的應力腐蝕開裂，且裂紋擴展速率均明顯大於巨觀體塊試樣的裂紋擴展速率實驗值；當拉伸應變增加時，觀察到了包括應力腐蝕開裂和純機械應力開裂的混合開裂模式。 矽表面氧化層在液態水和彎曲應力下會發生裂紋擴展，在受到很大應變時，裂紋擴展變得不穩定並向矽結構傳播引起矽結構的靜疲勞失效。 4. 研究了靜應力下矽微結構在室溫下的氧化過程,拉伸應力下氧化得到的表面氧化層與無應力條件下的氧化層的應力分析表明，氧化層中均沒有可分辨的內應力，很好地解釋了靜疲勞看似矛盾的實驗結果。 5. 研究了矽微結構在循環載荷下的疲勞過程 （a）首次發現了純氧下循環應力對單晶矽氧化具有增強作用；應力比對氧化具有重要影響，應力比為負的循環應力對氧化的增強作用更為明顯，解釋了目前矽微結構主要疲勞機理的爭議。 （b）循環應力增厚的氧化層沿單晶矽的解理面擴展，且氧化層的擴散降低了矽結構的強度，首次在微觀模擬發現了單晶矽的疲勞機理。 （d）提出了矽微結構新的疲勞機理解釋：矽微結構的疲勞包括兩個不同的過程：本生氧化層由應力腐蝕開裂導致的疲勞和增厚氧化層的疲勞。 6. 實驗對比單晶矽在空氣中和液態水中的拉伸強度，驗證了液態水中含表面氧化層的單晶矽強度更低的結論。實驗中發現了單晶矽在空氣中和液態水中均會發生靜疲勞。
