针对代表性晶体取向的单晶硅，在高应变率动态力学性能方面的实验与分析研究

《Advanced Engineering Materials》：Experimental and Analytical Study on the High Strain Rate Dynamic Mechanical Properties of Single-Crystal Silicon for Representative Crystal Orientations

单晶硅在高应变率下的动态力学行为研究通过分离霍普金森压力 bars 实验对比三种晶体取向（<111>、<100>）的极限强度与弹性模量变化，发现应变率显著提升极限强度（<111>最优，<100>最差）并导致弹性模量下降超50%，为硅基MEMS动态建模与设计优化提供依据。

　　

摘要

作为微机电系统（MEMS）中最常用的基材材料，单晶硅（SCS）的准静态力学性能已被广泛研究。然而，关于其在高应变率下的力学特性，目前数据不足，相关研究也相对有限，这限制了基于硅的MEMS应用的发展。本文通过针对三种不同晶体取向的样品进行霍普金森压力棒实验，研究了SCS在高应变率下的动态力学行为。实验结果表明，所有三种晶体取向的极限强度均随应变率的增加而显著提高，显示出明显的应变率敏感性。其中，<111>取向的极限强度在所有应变率范围内最高，而<100>取向的极限强度最低。此外，与准静态加载相比，SCS的弹性模量在高应变率下降低了50%以上。本研究为未来建立基于SCS的速率依赖性本构模型、优化基于硅的MEMS结构设计以及拓展其应用范围提供了基础。

利益冲突

作者声明没有利益冲突。