Study on the Microscopic Mechanism of Metal/Ceramic Interface Fracture

金属/陶瓷界面的优化设计在新材料、纳微电子器件、化学催化等领域起着重要作用，界面的强韧及断裂失效直接影响相关关键结构、部件的使用寿命。与界面宏观断裂相关的微观原子尺度断裂涉及多种作用力及能量耗散机制的竞争。尽管对金属/陶瓷界面的实验及理论研究已经持续了数十年，仍有很多基本问题还不清楚，如与宏观断裂密切相关的界面微观断裂机制。由于实验手段及势函数的限制，目前从位错运动机理及界面原子相互作用出发研究金属/陶瓷界面微观断裂的报道较少。分子模拟结果与宏观实验结果在界面强度及粘结功方面的巨大差异仍难以逾越。对界面断裂能量机制仍缺乏定量分析。本文针对以上三个关键科学问题，采用分子模拟与理论分析相结合的方法，研究了金属/陶瓷界面在剪切及拉伸载荷作用下的微观断裂机制，通过共格界面与半共格界面的对比分析了界面失配位错的重要作用。主要工作及获得的主要结论如下： Ag/MgO界面的分子模拟揭示了失配位错网滑移主导的界面剪切机理。位错滑移过程中位错能的变化决定了界面剪应力，位错节点的钉扎作用使位错线沿剪切方向发生明显弯曲现象。平衡界面结构原子应变分析表明位错节点区域应变集中程度最高，剪切过程中位错节点结构转变导致界面剪切强度和位错滑移能垒降低。沿不同方向的剪切模拟结果表明Ag/MgO界面沿失配位错伯氏矢量方向发生剪切破坏的可能性最大，该结论可推广到其他类似金属/陶瓷界面。 通过理想界面与含有失配位错的缺陷界面的对比，系统地分析和讨论了界面剪切强度及拉伸强度的微观机理。Ag/MgO理想界面的剪切破坏伴随着界面原子键的整体断裂。与理想界面相比，缺陷界面的界面剪切强度低了一个数量级，界面粘结功低了两个数量级，界面剪切行为更连续。采用基于界面势函数的积分方法得到了与第一原理计算结果一致的理想界面拉伸强度及粘结功。对Ag/MgO界面拉伸断裂过程的分子动力学模拟结果表明金属塑性变形改善了界面接触状态，硬化强度接近理想界面强度。应变率及界面面积增大时界面出现局部微裂纹，造成界面拉伸强度显著降低。 给出了异质界面拉伸灾变破坏过程的弹性模型，该模型成功刻画了界面破坏灾变点及界面断裂的尺寸效应。发现厚模型系统损伤率快，界面断裂模式趋向于脆性断裂。强界面-软金属组合的金属/陶瓷界面系统，断裂破坏模式与厚模型类似；而弱界面-硬金属组合的金属/陶瓷界面系统则趋向于软化现象显著的韧性断裂模式。与之前含有灾变不稳定性的分子模拟结果不同，采用一种新的边界位移-裂纹面位移混合加载模拟方法成功捕捉到了界面灾变破坏过程，发现理想界面与缺陷界面归一化的界面粘结关系遵循同样的指数变化形式。 本文系统地模拟了金属/陶瓷界面剪切及拉伸断裂微观机制，定量分析了界面断裂的能量机制，给出了界面强度及粘结功的关键影响因素。为深入研究金属/陶瓷界面断裂问题及相关界面设计提供理论指导。</p

热障涂层相关金属/陶瓷界面失效的原子尺度研究

热障涂层体系层裂往往发生在热生长氧化铝层与镍基合金粘结层之间,为了理解这一金属/陶瓷界面失效的物理机制,人们针对相关金属/陶瓷界面的断裂问题开展了大量原子尺度模拟研究[1-2]。针对Ni/Al_2O_3界面的第一原理计算显示,一定量的杂质稀土铪元素可提高该界面的黏附性能及分离功[3]。但第一原理方法受计算规模所限,不易刻划较大尺度界面的失效行为。分子动力学方法是一种选择,其中界面势函数是一难点,对系列金属/氧化镁(氧化铝),经第一原理反演得到的对势势参数已被证明可以有效刻划界面黏附性能[4-5]。因此本工作基于对势针对典型的Ag/MgO和Ni/Al_2O_3的界面失效开展了系列原子尺度研究。分子动力学模拟结果发现金属/陶瓷界面剪切本构呈周期准脆行为,剪切一个周期内界面剪应力逐渐增加达到剪切强度值后突然下降,界面剪切位移由之前缓慢连续增加突跳至下一个平衡位置,呈阶越形式,理想界面剪切是原子断键机制;对含有位错的缺陷界面,界面强度和周期位移都减小,界面位移从理想界面的阶越形式变得相对连续化,界面剪切是位错滑移主导。对理想界面拉伸情况,随厚度增加断裂灾变特征变得显著;含位错界面的强度也比理想界面降低,灾变特征弱化。通过分析相关的能量机制,揭示了微观界面失效行为的缺陷和厚度效应;结合原子结合能和位错滑移力的温度效应理论分析,以期理解宏观高温界面失效机制

金属/陶瓷界面断裂的原子尺度研究

金属/陶瓷界面在化工、机械、电子以及航空航天领域有广泛应用,如航空发动机叶片由于较高的服役温度,合金基底上往往要沉积或涂覆上一层耐高温、抗氧化的陶瓷涂层作为热保护,金属/陶瓷界面的稳定性直接影响了器件的服役性能和寿命。因此金属/陶瓷界面的失效吸引了广泛的研究兴趣,为了理解界面的基本断裂机制,对金属/陶瓷界面断裂的原子尺度研究具有重要意义。本文针对Ag/Mg O界面采用分子力学方法,系统研究了共格界面和含位错的半共格界面的拉伸和剪切行为,发现了界面本征特性、厚度效应以及缺陷效应。对共格界面揭示了独立于整体结构厚度的界面本构、以及理想的界面强度和界面断裂韧度等界面特征参数。研究还表明整体结构的断裂方式依赖于结构的厚度:随厚度增加,拉伸断裂从连续断裂转变为灾变突断。界面剪切呈现周期特征,每周期界面位移随加载开始缓慢增加,界面断裂时呈现突跳,对应原子键断裂、界面滑移一个单胞;随厚度增加,由于金属和陶瓷的弹性应变能增加,第一周期突跳前的界面位移增加。对含有位错的半共格界面的研究表明,无论拉伸还是剪切,界面强度都较理想强度降低。拉伸情况,界面不再是均匀断裂而是从位错核开始;剪切情况界面滑移对应位错运动,滑移周期比起共格界面大大减小,界面位移比共格界面增加,随加载变得连续。缺陷效应从一定程度解释了界面强度和断裂位移在微观和宏观尺度上的差异

Modeling of atomistic scale shear failure of Ag/MgO interface with misfit dislocation network

Metal/ceramic interfaces have broad applications and misfit dislocation network (MDN) is a prominent feature of the equilibrium metal/ceramic interfaces. As one main failure mode, interface shear failure is strongly affected by the motion of MDN. In this work, we investigate the equilibrium interface structure and shear failure of Ag/MgO interface via atomistic simulation method. Periodically distributed in-plane strain field caused by MDN and severe strain concentration at dislocation node regions are found by strain analysis. During interface shearing, these dislocation nodes act as strong pinning points to the gliding motion of MDN, which leads to bending of dislocation lines. Besides, energy analysis shows the interface shear stress is largely dependent on the variation of misfit dislocation energy. To understand interface shear failure under more complex conditions, we study the effect of model thickness and shear direction further. Due to transformation of nodal structure, the shear strength of thick model eventually decreases by almost a quarter; shear failure along the direction of Burgers vector is found to be energetically favored, with the lowest interface shear strength. This work reveals the crucial role of MDN in interface shear process, and the theoretical understanding gives some hints to metal/ceramic interface design