Selvemitterede overfladebølger i dynamisk brud af siliciumenkeltkrystal

Når en dynamisk revne forplanter sig gennem materielle heterogeniteter (materialeforskelle), elastiske bølger udsendes for at forstyrre revnen og ændre morfologien af ​​brudfladen. Når en revne forplanter sig langs foretrukne spaltningsplaner af sprækkefri (ruhedsfri) krystallinske materialer, forskere forventer en glat revnefront og en spejllignende brudflade. I en ny rapport, der nu er offentliggjort om Proceedings of the National Academy of Sciences ( PNAS ), Ming Wang og et forskerhold i mekanik ved det franske nationale center for videnskabelig forskning (CNRS) i Frankrig, Huazhong University of Science and Technology og Hubei Key Laboratory i Wuhan, Kina, viste karakteristisk revneudbredelse i et enkelt krystallinsk silicium uden materialeskader (materialeruhed). Revnefronten udviste en lokal knæk under højhastighedsrevneudbredelse og genererede periodiske brudoverfladekorrugeringer eller krusninger. Fænomenerne voksede fra ångstrøm (Å) amplitude til et par hundrede nanometer (nm) for at forplante sig med en lang levetid ved en frekvensafhængig hastighed og med en skalaafhængig form. De lokale frontoscillationer præsenterede karakteristikken for solitære bølger og Wang et al. kaldte de ikke-lineære elastiske bølger "bølgebølger".

I materialevidenskab, revneudbredelse kan føre til katastrofalt materialefejl, og derfor, materialeforskere har intensivt studeret den dynamiske egenskab i årtier, men detaljerne er stadig udfordrende. Ifølge lineær elastisk brudmekanik, en revnespids i et todimensionelt (2-D) medium kan beskrives som et energidræn, omkring hvilket der sker spredning til energiudbredelse. I 3-D-systemer er den lokale revnehastighed styret af lokal energibalance for at kontrollere hele revnefrontens form. I nærværende arbejde, Wang et al. rapporterede specifikke brudoverfladekorrugeringer i silicium-enkeltkrystal-spaltningen, der opstår i højhastighedsrevner. De kunne ikke forklare morfologien ved hjælp af afbøjningsscenarier, der hidtil er kendt for at beskrive spaltningen af ​​siliciumkrystaller. Holdet foreslog derfor selvudsendte korrugeringer (ripples) til at være spor af forskellige ikke-lineære elastiske bølger kendt som korrugeringsbølger, der nukleerer fra frakturenergiudsving ved en kritisk revnehastighed. Korrugeringsbølgerne delte også specifikke egenskaber med sprækkefrontbølgerne. Holdet fremhævede to spændende egenskaber ved bølgebølger i dette arbejde, herunder ikke-lineær spredning og partikellignende interaktionsdynamik.

Brudforsøg for at studere overfladeegenskaberne

Wang et al. udførte brudforsøgene på as-savede enkeltkrystallinske siliciumplader under ren bøjning for at danne (110) spaltningen. Bindingsspændingen var normal til brudoverfladen for at forplante sig under en ren åbningstilstand. På grund af forskellige frørevnestørrelser, forskerne opnåede en bred vifte af steady-state crack-hastigheder, med en Rayleigh-bølgehastighed (revnehastighed) lig med 4, 460 m/s for (110) [110] retningen af ​​krystallen, at undersøge revnedynamikken. Den invariante form af Wallner-linjerne, dvs. linjer som følge af den udbredte revnefront og forskydningsbølger afslørede den stabile udbredelse af hele revnefronten. I et scenarie med lav hastighed, den lokale revnehastighedsprofil faldt monotont fra bunden til toppen langs revnefronten, i højhastighedsscenarier, det lokale knæk oversat til et udsving.

Holdet udførte en anden række eksperimenter på overfladepolerede siliciumprøver, som udelukkede Wallner-linjerne for at studere de nøjagtige morfologiske træk ved brudfladekorrugeringerne. Surface corrugations on two opposing fracture surfaces involved a peak-to-valley match, which Wang et al. distinguished from the local plasticity ahead of the crack tip presented as a peak-to-peak match, and analyzed them using atomic force microscopy (AFM) measurements. Based on five typical topographies, the research team observed the amplitude grow from an angstrom level to a maximum roughness of 100 nm. The team noted high-speed crack instability, which induced an abrupt crack path deviation to extend along the local front. The surface corrugations extended along various crystallographic directions depending on the crack speed and did not coincide with a specific crystal plane.

Different stages of crack propagation

All surface corrugations exhibited a wave-like feature along the perpendicular direction, which Wang et al. measured to reveal geometrical characteristics of the corrugations. They dented the angle between the corrugation planes (denoted β) and observed its dependence on the crack speed. The surface corrugations extended along various crystallographic directions depending on the crack speed without coinciding with any specific crystallographic plane. The team revealed the long-lived propagation to be generated by highly localized out-of-plane agitations along the crack front.

The team further investigated the characteristics of the local crack front oscillations with periodic surface corrugations, where the orientation of the corrugations (denoted α) changed with the wavelength. The α also correlated with the width of the corrugations and with nucleation triggered by high speed crack instabilities. Wang et al. observed an increased wavelength and amplitude during the growth of the crack front oscillations, which subsequently decreased during decay of the oscillations. The team then highlighted particle-like interaction behavior of the local front oscillations. For eksempel, when a fast-moving oscillation met a slow one, they showed particle-like collision and the fast-moving oscillation decayed and de-accelerated, while the slow oscillation grew and accelerated, meanwhile the linear correlation between the wavelength and amplitude retained.

På denne måde the collision events further revealed nonlinear characteristics of crack propagation, where particle-like interactions of the front oscillations were similar to solitary waves. During the collision, the two pulses exchanged their speeds and shapes for a resulting phase shift. I dette studie, Wang et al. considered the front oscillations as nonlinear elastic waves and named them "corrugation waves" as they produced out-of-plane ripples (corrugations) on the fracture surface. The corrugation waves were continuously self-emitted from the moving front to propagate with the characteristics of solitary waves. The initial state of the corrugation waves depended on the source that created them. The nonlinear corrugation waves reported here differed from those described in previous through numerical modeling or experiments based on material asperities. Ming Wang and colleagues expect the results to provide additional insights on soliton-like crack front dynamics on the fracture surface of asperity-free (roughness-free) crystalline materials in materials science.

© 2020 Science X Network