Trots att kisel är ett av världens mest undersökta material har forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST) hittat ett nytt problem och trolig orsak till sprickbildning när kisel utsätts för upprepade mekaniska påfrestningar, något som kan skapa problem för mikroskopiska MEMS-tillämpningar med rörliga, mekaniska delar realiserade i relativt tjockt (bulkigt) kisel.

Problemet med utmattning har tidigare bedömts inte kunna existera på grund av kisels materialegenskaper avseende kristallstruktur och kemiska bindningar. De nya rönen kan få viktiga följder vid nyutveckling av kiselbaserade mikromekaniska komponenter. Nyligen genomförd forskning på rörliga MEMS-komponenter i submikrometerområdet i kisel har avslöjat att förstörande sprickbildning kan uppstå och det finns två teorier om varför så kan ske. Vissa forskare menar att problemet med att MEMS-komponenterna långsamt förstörs endast är ett mekaniskt problem som beror på friktion medan andra hävdar att fenomenet i huvudsak har kemiska orsaker.

Vid konventionell test av motståndskraften mot sprickbildning tillfogas kiselmaterialet små hack i stickprovets ena kant. Materialet utsätts därpå för töjning för att undersöka om hacket växer ut och ger upphov till en sprickbildning. Kisel har alltid klarat av den här typen av test men forskarna vid NIST menar att de påfrestningar som MEMS-baserade komponenter utsätts för i verkligheten är mycket mer komplicerade. NIST:s forskningsteam valde istället en alternativ testmetod. Toppen av testkristallen utsattes för tryck från små, Ø3 mm stora sfärer tillverkade i wolframkarbid. Inga problem med sprickbildning kunde upptäcktas då kiselkristallen utsattes för långvarigt, konstant tryck under materialets brottspunkt men om stickprovet utsattes för cykliska (100 000-tals) påfrestningar vid halverad kraft noterades ett gradvis ökande mönster av ytskador på materialet vid inbuktningsplatsen, som enligt NIST tydligt visar på mekanisk utmattning. Forskarnas teori är att det kritiska elementet i experimentet är att just påfrestningen får kristallplanen i kiselmaterialet att glida mot varandra.

Experimentet gjordes på relativt stora kiselkristaller i 100-tals mikrometerskalan. Nästa steg blir nu att undersöka om samma utmattningsmekanismer uppstår även i subµm-skalan.

Filed under: Utländsk Teknik