Tytuł artykułu
Treść / Zawartość
Pełne teksty:
Identyfikatory
Warianty tytułu
Wytrzymałość mechaniczna i odporność na pękanie kruchych materiałów monokrystalicznych i ceramicznych
Języki publikacji
Abstrakty
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 KIc = 1.3 ± 0.1 MPam1/2 and the four-point bending strength σc = 289 ± 61 MPa. For Y2O3 ceramics these parameters are 1.8 ± 0.2 MPam1/2 and 184 ± 20 MPa, respectively. At 700°C the mechanical parameters for the Si single crystal are: KIc = 20 ± 3 MPam1/2 and σc = 592 ± 86 MPa. for Y2O3 ceramics at 800°C, KIc = 1.7 ± 0.1 MPam1/2 and σc = 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.
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 KIc = 1,3 ± 0,1 MPam1/2,a wytrzymałość na zginanie czteropunktowe σc = 289 ± 61 MPa. Dla Y2O3 parametry KIc i σc przyjmują wartości wynoszące w tej temperaturze odpowiednio 1,8 ± 0,2 MPam1/2 i 184 ± 20 MPa. W temperaturze 700°C wartości parametrów KIc i σc dla Si są równe odpowiednio 20 ± 3 MPam1/2 oraz 592 ± 86 MPa, zaś dla ceramiki Y2O3 w 800°C KIc = 1,7 ± 0,1MPam1/2 i σc = 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.
Czasopismo
Rocznik
Tom
Strony
8--16
Opis fizyczny
Bibliogr. 26 poz., rys., tab.
Twórcy
autor
- Institute of Electronic Materials Technology, 133 Wólczynska Str., 01-919 Warsaw, Poland
autor
- Institute of Electronic Materials Technology, 133 Wólczynska Str., 01-919 Warsaw, Poland
autor
- Institute of Electronic Materials Technology, 133 Wólczynska Str., 01-919 Warsaw, Poland
autor
- 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
Typ dokumentu
Bibliografia
Identyfikator YADDA
bwmeta1.element.baztech-eec302e2-d132-4dea-9085-888b98cd9f10