先進MEMSデバイスの三次元複雑構造と破壊の超高分解能X線CTによる可視化

使用超高分辨率 X 射线 CT 可视化先进 MEMS 器件的三维复杂结构和断裂

• 批准号: 04F04370
• 负责人: 戸田 裕之
• 金额: $ 1.54万
• 依托单位: Toyohashi University of Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2004
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2004 至 2006
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-04F04370/
• 关键词: シンクロトロン放射光; マイクロトモグラフィー; 三次元観察; き裂進展駆動力; マイクロマテリアル; 損傷; その場観察; 屈折コントラスト法; Computer microtomography; 超高分解能; 数値解析; 可視化; 三次元; 破壊; トモグラフィー

サブミクロンの超高分解能を有するシンクロトロン放射光X線コンピューティッド・トモグラフィー(以下、CT)により、デバイスなどの微小材料に損傷が入った場合の観察、解析を実施した。き裂の実際の局所進展駆動力(き裂前縁に添う各き裂先端位置でのモードI、II、III進展駆動力)を3D、In-situ、かつ高密度(1ミクロン以下の間隔)で測定出来る手法を開発した。これは、数百点のミクロ組織特徴点の同時追跡を行う方法や、4-D画像の解析を行う事で実現している。これまでは、光弾性法、モアレ縞干渉法、コースティック法などの特殊試験技術を用いても、従来は試験片表面しか測定できなかった測定が、材料内部に適用できるようになった。一般に、き裂の局所進展駆動力は、マクロな負荷応力だけではなく、き裂偏向、損傷発生、き裂閉口現象などの各種応力遮蔽/反遮蔽効果の寄与が、現実の材料のミクロ組織構造のために複雑かつ顕著に影響する。そこで、開発した手法をデバイスを模したマイクロマテリアルを伝播するき裂に適用した。実験はSPring-8のイメージング用ビームラインであるBL20XUおよびBL47XUにて行い、その有効性を検証した。各き裂先端位置で得られた真の局所進展駆動力の発現機構を解析し、き裂の偏向、微視的な損傷、き裂閉口現象などによる各種応力遮蔽/反遮蔽効果の寄与分を、三次元的かつ定量的に明らかにすることができた。これに加え、マイクロマテリアルとその内部の亀裂をCT画像から解析モデルにコンバートし、数値解析を行う手法を開発した。そして、実際にデバイスを模した微小なアルミニウムサンプルに適用し、内部組織の影響などを明らかにした。

使用具有超高亚微米分辨率的同步辐射X射线计算机断层扫描（CT），我们观察并分析了设备等微小材料的损伤。裂纹的实际局部扩展驱动力（沿裂纹前缘的每个裂纹尖端位置处的模式 I、II、III 扩展驱动力）以 3D、原位、高密度（间隔为 1 微米或我们开发了一种可用于测量的方法。这是通过同时跟踪数百个微观结构特征点并分析 4D 图像来实现的。到目前为止，只能使用光弹性、莫尔条纹干涉和苛性碱方法等特殊测试技术在样品表面进行的测量现在可以应用于材料内部。一般来说，局部裂纹扩展的驱动力不仅由宏观载荷应力引起，还受到裂纹偏转、损伤萌生、裂纹闭合等各种应力屏蔽/反屏蔽效应的贡献。受材料实际微观结构的复杂而显着的影响。因此，我们将所开发的方法应用于通过类似器件的微材料传播的裂纹。该实验在SPring-8的成像光束线BL20XU和BL47XU上进行，并验证了其有效性。分析了在每个裂纹尖端位置获得的真实局部扩展驱动力的表达机制，并分析了裂纹偏转、微观损伤、裂纹闭合现象等各种应力屏蔽/反屏蔽效应的贡献，可以明确三维和定量。此外，我们还开发了一种将 CT 图像中的微材料及其内部裂纹转换为分析模型并进行数值分析的方法。然后他们将其应用到一个类似于实际设备的微小铝样品上，并阐明了内部结构的影响。

项目成果

Application of synchrotron x-ray microtomography to investigate ductile fracture in Al alloys

• DOI: 10.1063/1.2142081
• 发表时间: 2005-12
• 期刊: Applied Physics Letters
• 影响因子: 4
• 作者: L. Qian;H. Toda;K. Uesugi;Toshiro Kobayashi;T. Ohgaki;M. Kobayashi

FEM modeling of crack propagation in a model multiphase alloy

多相合金模型中裂纹扩展的有限元建模

• 发表时间: 2006
• 期刊: Journal of Materials Science and Technology
• 影响因子: 10.9
• 作者: L.Qian;S.Nishido;H.Toda;T.Kobayashi
• 通讯作者: T.Kobayashi

Assessment of damage and fracture behaviors in a cast aluminum alloy via in-situ synchrotron microtomography

通过原位同步加速器显微断层扫描评估铸造铝合金的损伤和断裂行为

• 发表时间: 2006
• 期刊: Materials Science Forum 519-521
• 作者: S.Yamamoto;H.Toda;L.Qian;T.Ohgaki;M.Kobayashi;T.Kobayashi;K.Uesugi
• 通讯作者: K.Uesugi