双材料界面分离机制的分子动力学研究
界面对材料的整体力学性能有着重要的影响,粘聚力模型常用来刻画界面的力学行为.基于粘聚力的概念,从宏观材料行为假设粘聚力模型已经有数十年的研究;而基于第一原理和分子动力学方法研究界面行为,从物理上还原粘聚力模型的工作尚处于起步阶段.采用分子模拟的方法不仅可以量化界面分离过程中力和位移的关系,还可以考察界面分离的失效形式.然而,分子动力学模拟常被质疑其计算的界面强度与宏观模型有几个量级的差别.此外,大多数分子模拟工作都是针对界面Ⅰ型开裂开展的,Ⅱ型开裂的相关工作报道较少.本文的主要内容是采用分子动力学方法模拟常用的金属/陶瓷以及金属/半导体双材料界面的分离过程,对于认识界面的断裂行为,理解分子模拟结果与宏观模型结果的一致性具有重要作用,本文也对文献较少报道的界面Ⅱ型失效行为进行了讨论.本文的主要内容如下:
采用构元模型模拟Ag/MgO金属/陶瓷界面在拉伸和剪切作用下研究界面的Ⅰ型和Ⅱ型开裂行为,用以推导出界面的本构关系.对于Ⅰ型开裂,金属/陶瓷界面法向力的本构关系可以用双线性型函数描述,同时对界面附近的原子应力进行分析表明界面的强度与选用的构元尺寸无关.对于Ⅱ型开裂,界面剪切力的本构关系是周期性双线性函数,在一个周期内不是光滑曲线,而是分为加载和位移跳跃两个过程;同时发现,剪切作用会引起界面在法向上的耦合作用,诱导的法向力的本构关系与界面Ⅰ型分离的本构关系不同,不是双线性型函数关系,而是滞徊曲线形式.
采用了两种原子势模拟了Al/Si双材料界面的力学行为,两种界面势分别对应了脆性界面和韧性界面.研究表明脆性界面和韧性界面的断裂形式不同:脆性断裂只有界面两边原子断键并分离;而韧性断裂在界面发生孪生和位错,伴随形成微孔洞以及微孔洞融合使界面分离.通过不同的晶向构造了多种结构的双材料界面,本文还考察了界面结构对界面本构关系的影响,发现界面的强度与界面的结构有很大的关系:对于脆性界面,其分离强度与界面结构有关,因为分离功与粘附功是相同的;而对于韧性界面,分离功与界面结构关系不大.
通过在Al/Si双材料界面中预制裂纹,比较含裂纹体系和完美体系的界面开裂行为.本文发现预制裂纹以后材料的整体强度大幅降低,但在界面附近的粘结力并没有变化.由此表明界面本身的强度远大于双材料体系表现的强度,使双材料体系的承载能力下降的原因是界面缺陷.这有助于解释分子模拟的材料强度远高于宏观模型的材料强度这一普遍现象.
为了与连续介质理论进行对比,本文还模拟了Al/Si薄基界面在楔形体作用下的劈裂过程,观察和分析了多种厚度和劈裂角的分子模拟结果.采用粘聚力区体单元方法分析界面参数,用以将分子模拟的结果无量纲化,将分子模拟的结果与连续介质力学有限元的无量纲解答进行了对比,结果表明分子模拟的结果与连续介质力学的解答的变化趋势相吻合.
- 作者：
- 李美之
- 学位授予单位：
- 中国科学院研究生院
- 专业名称：
- 固体力学
- 授予学位：
- 博士
- 学位年度：
- 2011年
- 导师姓名：
- 魏悦广
- 关键词：
- 粘聚力模型；界面强度；韧性界面；脆性界面；分子动力学
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