Mechanical strength and fracture toughness of brittle monocrystalline and ceramic materials

• Autorzy: Boniecki M. , Kamiński P. , Wesołowski W. , Krzyżak K.

Warianty tytułu

PL

Wytrzymałość mechaniczna i odporność na pękanie kruchych materiałów monokrystalicznych i ceramicznych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The article compares the mechanical properties of a n-type silicon single crystal with an orientation <100> and resistivity ~ 2000 Ωcm, obtained by the floating zone (FZ) method, with the mechanical properties of Y₂O₃ ceramics. Both materials are characterized by a high value of transmission coefficient of electromagnetic radiation in the wavelength range from 2 μm to 8 μm and they can be used as optical windows in a near infrared range. However, the choice of a material type for the specific applications may depend on their mechanical properties. these properties have been determined both at room temperature and at elevated temperature, i.e. 700°C for si and 800°C for Y₂O₃ ceramics. We have found that at room temperature the fracture toughness of the Si single crystal K_Ic = 1.3 ± 0.1 MPam^1/2 and the four-point bending strength σ_c = 289 ± 61 MPa. For Y₂O₃ ceramics these parameters are 1.8 ± 0.2 MPam^1/2 and 184 ± 20 MPa, respectively. At 700°C the mechanical parameters for the Si single crystal are: K_Ic = 20 ± 3 MPam^1/2 and σ_c = 592 ± 86 MPa. for Y₂O₃ ceramics at 800°C, K_Ic = 1.7 ± 0.1 MPam^1/2 and σ_c = 230 ± 23 MPa. The presented data show that at elevated temperatures both fracture toughness and bending strength of the Si single crystal are significantly greater than the values of those parameters found for Y₂O₃ ceramics.

PL

W artykule porównano właściwości mechaniczne monokrystalicznego krzemu typu n o orientacji <100> i rezystywności ~ 2000 Ωcm, otrzymanego metodą beztyglową, z właściwościami mechanicznymi ceramiki Y₂O₃. Oba materiały charakteryzują się dużym współczynnikiem transmisji promieniowania elektromagnetycznego w zakresie długości fali od 2 μm do 8 μm i mogą być stosowane jako okna optyczne w zakresie bliskiej podczerwieni. Wybór rodzaju materiału dla konkretnych zastosowań może być jednak uzależniony od ich właściwości mechanicznych. Właściwości te określano zarówno w temperaturze pokojowej, jak i w temperaturze podwyższonej do 700°C w przypadku Si oraz do 800°C w przypadku ceramiki Y₂O₃. Stwierdzono, że dla Si w temperaturze pokojowej odporność na pękanie K_Ic = 1,3 ± 0,1 MPam^1/2,a wytrzymałość na zginanie czteropunktowe σ_c = 289 ± 61 MPa. Dla Y₂O₃ parametry K_Ic i σ_c przyjmują wartości wynoszące w tej temperaturze odpowiednio 1,8 ± 0,2 MPam^1/2 i 184 ± 20 MPa. W temperaturze 700°C wartości parametrów K_Ic i σ_c dla Si są równe odpowiednio 20 ± 3 MPam^1/2 oraz 592 ± 86 MPa, zaś dla ceramiki Y₂O₃ w 800°C K_Ic = 1,7 ± 0,1MPam^1/2 i σ_c = 230 ± 23 MPa. Prezentowane dane wskazują, że w temperaturze pokojowej wytrzymałość na zginanie czteropunktowe monokrystalicznego Si jest znacząco większa niż ceramiki Y₂O₃. W podwyższonych temperaturach zarówno odporność na pękanie, jak i wytrzymałość na zginanie monokrystalicznego Si jest wielokrotnie większa niż w przypadku ceramiki Y₂O₃.

Słowa kluczowe

EN

Y2O3 ceramics; high-purity silicon; fracture toughness; bending strength

PL

ceramika Y2O3; krzem; odporność na pękanie; wytrzymałość na zginanie

• Wydawca: Sieć Badawcza Łukasiewicz - Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych
• Czasopismo: Materiały Elektroniczne
• Rocznik: 2016
• Tom: T. 44, nr 4
• Strony: 8--16
• Opis fizyczny: Bibliogr. 26 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Boniecki M.

• Institute of Electronic Materials Technology, 133 Wólczynska Str., 01-919 Warsaw, Poland

autor

Kamiński P.

• Institute of Electronic Materials Technology, 133 Wólczynska Str., 01-919 Warsaw, Poland

autor

Wesołowski W.

• Institute of Electronic Materials Technology, 133 Wólczynska Str., 01-919 Warsaw, Poland

autor

Krzyżak K.

• Institute of Electronic Materials Technology, 133 Wólczynska Str., 01-919 Warsaw, Poland

Bibliografia

• [1] Ranachowski J.: Elektroceramika: Własności i nowoczesne metody badań, Warszawa – Poznań, PWN, 1981
• [2] Guy A. G.: Wprowadzenie do nauki o materiałach, Warszawa, PWN, 1977
• [3] Thomson R. M.: Physics of fracture, J.Phys.Chem. Sol., 1987, 48 (11), 965 – 983
• [4] Freiman S. W.: Brittle fracture behaviour of ceramics, Ceram. Bull., 1988 , 67(2), 392 – 402
• [5] Rećko W. M.: O module Weibulla – historia i przyszłość, Ceramika/Ceramics, 2003, 80, 253 – 258
• [6] Rećko W. M.: Rozkład Weibulla dla wytrzymałości na ściskanie, Szkło i Ceramika, 2008, 59, 2 – 5
• [7] Samuels J., Roberts S. G.: The brittle-ductile transition in silicon. I. Experiments, Proc. R. Soc. London, Ser. A, 1989, 421, 1 – 23
• [8] Munro R. G.: Evaluated material properties for a sintered α-alumina, J. Am. Ceram. Soc., 1997, 80(8), 1919 – 1928
• [9] Desmaison-Brut M., Montintin J., Valin E., Boncoeur M.: Influence of processing conditions on the microstructure and mechanical properties of sintered yttrium oxides, J. Am. Ceram. Soc., 1995, 78(3), 716 –722
• [10] Boniecki M., Librant Z., Wesołowski W. et al.: Fracture mechanics of Y2O3 ceramics at high temperatures, Advances in Science and Technology, 2014, 89, 88 – 93
• [11] Nigara Y.: Measurement of optical constants of yttrium oxide, Jpn. J. Appl. Phys., 1968, 7, 404 – 408
• [12] Harris Daniel C.: Materials for infrared windows and domes: properties and performance, SPIE – The International Society for Optical Engineering, Bellingham, Washington 1999, 150 – 191
• [13] Boniecki M., Jach K., Librant Z., et al.: Mechanika kruchego pękania ceramiki Y2O3, Materiały Ceramiczne/Ceramic Materials, 2015, 67, 1, 43 – 47
• [14] Boniecki M., Librant Z., Wesołowski W. et al.: Odporność na pękanie ceramiki Y2O3, Materiały Ceramiczne/Ceramic Materials, 2015, 67, 4, 378 – 382
• [15] Fett T., Munz, D.: Subcritical crack growth of macrocracks in alumina with R-curve behavior, J. Am. Ceram. Soc., 1992, 75, 4, 958 – 963
• [16] Anstis G. R., Chantikul P., Lawn B. R., Marshall D. B.: A critical evaluation of indentation techniques for measuring fracture toughness: I. Direct crack measurements, J. Am. Ceram. Soc., 1981, 64, 9, 533 – 538
• [17] Wiederhorn S. M.: Subcritical crack growth in ceramics, Fracture Mechanics of Ceramics v.2, ed. by Bradt R.C., Hasselman D. P. H., Lange F. F., New York, London, Plenum Press, 1974, 613 – 646
• [18] Vedde J., Gravesen P.: The fracture strength of nitrogen doped silicon wafers, Mater. Sci. Eng., 1996, B36, 246 – 250
• [19] Dziubak C., Rećko W. M.: Statystyka wytrzymałości ceramiki korundowej, Szkło i Ceramika, 2009, 60,
• [20] Zeng Y., Ma X., Chen J., Yang D.: Correlation between oxygen precipitation and extended defects in Czochralski silicon: Investigation by means of scanning infrared microscopy, J. Electronic. Mater. 2010, 39 (8), 648 – 651
• [21] Achmetov V. D., Richter H., Lysytskiy O., Wahlich R., Muller T.: Oxide precipitates in annealed nitrogen-doped 300 mm CZ-Si, Mater.Sci. Semiconductor Processing, 2003, 5, 391 – 396
• [22] Ebrahimi F., Kalwani L.: Fracture anisotropy in silicon single crystal, Mater. Sci. Eng. 1999, A268, 116 – 126.
• [23] Masolin A., Bouchard P. O., Martini R., Bernacki M.: Thermo-mechanical and fracture properties in single-crystal silicon, J. Mater. Sci. 2013, 48, 979 – 988
• [24] Boniecki M.: Wpływ mikrostruktury na rozwój mikropęknięć podkrytycznych w materiałach ceramicznych, Materiały Elektroniczne – Electronic Materials, 1992, 1 (77), 8 – 29
• [25] Boniecki M., Gołębiewski P., Wesołowski W., et al.: Kompozyt Al2O3 – ZrO2 wzmocniony płatkami grafenowymi, Materialy Elektroniczne – Electronic Materials, 2016, 44, 1, 20 – 28
• [26] Hu S. M.: Dislocation pinning effect of oxygen atoms in silicon, Apl. Phys. Lett. 1977, 31 (2), 53 – 55