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我院在碳化硅应力诱导损伤演变机制方面取得重要进展
2019-08-13 11:06  

我院张振宇教授课题组近日发表了“碳化硅错配断裂非晶表面断裂强度的超高恢复率”文章,发表于ACS Nano 2019, 13,7483-7492,IF: 13.903,本文的第一作者为博士生崔俊峰,张振宇教授为文章的唯一通讯作者。

高性能零件的性能决定高性能装备的使役性能,而碳化硅等高性能零件要求具有亚纳米级的表面粗糙度,纳米级的形位精度,表面和亚表面无损伤。这种苛刻的加工精度已经接近目前物理加工的极限,必须研发新的高性能工艺与装备满足高性能零件的苛刻加工要求。研究纳米尺度损伤起源及演变机制,在机理方面实现突破,获得高性能表面,从而为研发具有自主知识产权的高性能装备奠定理论及实验基础。

碳化硅广泛应用于航空、航天、军工、国防、光电子等高性能装备中,是最重要的第三代半导体材料,工作环境为高温、高频和高能等苛刻环境,一旦碳化硅高性能零件失效,将带来灾难性后果。本工作研发了采用羊毫和导电银胶操作和固定微纳样品的新装置,在室温大气环境下实现了微纳样品的操作和固定,消除了传统的聚焦离子束(FIB)和电子束沉积不可避免地对样品造成的污染和损伤。采用自主研发的新装置,用透射电镜原位纳米力学测试系统在纳米尺度下实现了碳化硅损伤的纳米尺度原位动态测试与表征。实验发现非晶碳化硅的断裂强度为8.8 GPa,接近其理论断裂强度。本实验由博士生崔俊峰和刘冬冬(第四作者)等完成。在错配的非晶碳化硅表面,断裂强度20分钟内恢复到5.6 GPa,在没有外界干预的情况下,在真空中实现了硬脆材料的自愈合,断裂强度恢复率为63.6%,实现了错配的断裂非晶表面的超高自愈合率。这个新现象的发现为新一代高性能碳化硅航空航天器件与装备的设计制造指明了新的方向,也为碳化硅高性能器件与装备的稳定可靠服役,从而避免灾难性后果的发生提供了新的思路。

非晶错配断裂表面自愈合的分子动力学模拟是一个国际难题,分子动力学模拟结果要和实验相吻合是极其困难的。硕士生姜海越(第三作者)模拟了三年,克服重重困难,在毕业前夕,终于实现了突破。分子动力学模拟错配的非晶碳化硅断裂表面的自愈合率是65.9%,与实验发现的63.6%一致,揭示了碳化硅错配断裂非晶表面自愈合的机理:在真空条件下,悬挂键实现了断裂和重组,Si-C键断裂需要增加的势能为2.6 eV,Si-Si键和Si-C的重构势能降低了3.2和1.9 eV。本工作通过对碳化硅应力诱导纳米尺度原位动态损伤起源和演变的机制研究,深化了对第三代半导体超精密加工机理的认识。

   本工作得到科技部国家重点研发计划、国家优青、国家创新群体基金、教育部长江学者计划、大连杰青、辽宁省创新人才和辽宁重大装备制造国家级协同创新中心等的联合资助。


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