单晶硅动态断裂中的单晶的自自发表面波纹

2021-12-29 06:16:00解苛瑶导读当动态裂纹通过材料异质性(材料差异)传播时，会发出弹性波以扰动裂纹并改变断裂表面的硅动形态。当裂纹沿着无粗糙(无粗糙度)晶体材料的态断优先劈裂

当动态裂纹通过材料异质性(材料差异)传播时，会发出弹性波以扰动裂纹并改变断裂表面的裂中形态。当裂纹沿着无粗糙(无粗糙度)晶体材料的发表优先劈裂面传播时，研究人员期望裂纹的面波前端光滑，镜面呈断裂状。单晶的自王铭和法国科学研究中心(CNRS)的硅动力学研究小组，华中科技大学和科学院院刊(PNAS)现已在《科学院院刊》(PNAS)上发表的态断新报告中。武汉的裂中湖北省重点实验室在没有硅的单晶硅中表现出特征性裂纹扩展材料粗糙(材料粗糙度)。裂纹前沿在高速裂纹扩展过程中表现出局部扭结，发表并产生周期性的面波断裂表面波纹或波纹。这种现象是单晶的自由埃引起的(Å)振幅达到几百纳米(nm)，以较长的硅动寿命以取决于频率的速度和取决于比例的形状传播。局部的态断前部振荡呈现出孤立波的特征，Wang et al。将非线性弹性波称为“波纹波”。

在材料科学中，裂纹扩展会导致灾难性的材料失效，因此，材料科学家数十年来一直深入研究其动态特性，但细节仍然具有挑战性。根据线性弹性断裂力学，可以将二维(2-D)介质中的裂纹尖端描述为一个能量吸收器，在该能量吸收器周围会发生耗散以进行能量传播。在3-D系统中，局部裂纹速度由局部能量平衡控制，以控制整个裂纹前沿形状。在目前的工作中，Wang等。报道了在高速裂纹中出现的单晶硅断裂中的特定断裂表面波纹。他们无法使用迄今为止已知的描述硅晶体解理的任何偏转方案来解释形态。因此，研究小组提出了自发波纹(波纹)的痕迹，该波纹是不同的非线性弹性波(称为波纹波)的痕迹，它们核由临界裂纹速度下的断裂能波动引起。波纹波还与裂纹前波共享特定的特性。该团队在这项工作中强调了波纹波的两个有趣的属性，包括非线性弥散和类粒子的相互作用动力学。

断裂实验以研究表面特征

Wang等。在纯弯曲的情况下，在锯好的单晶硅板上进行了断裂实验，形成了(110)劈裂。结合应力垂直于断裂表面，在纯开放模式下传播。由于各种种子裂纹尺寸，科学家们获得宽范围的稳态裂纹的速度，用瑞利波速度(裂纹速度)等于4460米/ s的(110)[110]的结晶方向，向检查裂纹动力学。Wallner线的不变形状即，由传播的裂纹前沿和剪切波形成的线揭示了整个裂纹前沿的稳态传播。在低速情况下，局部裂纹速度分布沿着裂纹前沿从底部到顶部单调降低，而在高速情况下，局部扭结转化为波动。

该小组对表面抛光的硅样品进行了第二系列实验，该实验排除了Wallner谱线，以研究断裂表面波纹的准确形态特征。Wang等人在两个相对的断裂表面上的表面波纹涉及峰谷匹配。区别于裂纹尖端之前的局部可塑性，表现为峰峰匹配，并使用原子力显微镜对其进行了分析(AFM)测量。基于五种典型的地形，研究小组观察到振幅从埃级增长到最大粗糙度100 nm。研究小组注意到高速裂纹的不稳定性，从而导致突然的裂纹路径偏差沿局部前沿延伸。表面波纹根据裂纹速度沿着各种晶体学方向延伸，并且与特定的晶面不一致。

裂纹扩展的不同阶段

所有的表面波纹都表现出沿垂直方向的波浪状特征，Wang等人。测量以揭示波纹的几何特征。他们确定了波纹平面之间的角度(表示为β)，并观察了其对裂纹速度的依赖性。取决于裂纹速度，表面波纹沿着各种晶体学方向延伸，而与任何特定的晶体学平面不一致。研究小组发现，沿裂纹前沿高度局限的平面外扰动会产生长寿命的传播。

该小组进一步研究了具有周期性表面波纹的局部裂纹前部振荡的特征，其中波纹的方向(表示为α)随波长而变化。α也与波纹的宽度以及高速触发的成核有关裂纹不稳定。Wang等。观察到裂纹前振荡的增长过程中波长和振幅增加，随后在振荡衰减过程中下降。然后，研究小组强调了局部前振荡的类粒子相互作用行为。例如，当一个快速移动的振荡遇到一个慢的振荡时，它们显示出类似颗粒的碰撞，并且快速移动的振荡衰减并减速，而缓慢的振荡则增大和加速，同时波长和振幅之间的线性相关性得以保留。 。

这样，碰撞事件进一步揭示了裂纹扩展的非线性特征，其中前振荡的类粒子相互作用类似于孤立波。在碰撞过程中，两个脉冲交换了其速度和形状，从而产生了相移。在这项研究中，王等。将前部振荡视为非线性弹性波并将其命名为“波纹波”，因为它们会在断裂表面上产生面外波纹(波纹)。波纹波从运动前沿连续不断地自我发射，以孤立波的特性传播。波纹波的初始状态取决于产生它们的来源。此处报道的非线性波纹波与之前所述的非线性波纹波不同之处在于，其通过数值模拟或基于材料凹凸的实验进行了描述。Ming Wang及其同事希望这些结果能为表面材料科学中无粗糙(无粗糙度)的晶体材料断裂方面的类孤子裂纹前沿动力学提供更多的见解。