碳化硅单晶材料残余应力检测技术研究

碳化硅单晶材料残余应力检测技术研究

摘要：碳化硅单晶材料具有优异的物理和化学性质，成为了众多高科技领域的重要材料。同时，在碳化硅单晶材料生产和应用过程中，残余应力的存在极大地影响了材料的性能和寿命。在碳化硅单晶材料的制备和应用过程中，残余应力的检测和分析是一个重要的环节。本文对于多种残余应力检测技术进行了介绍和比较，旨在为碳化硅单晶材料的生产和应用提供参考，促进相关技术的研究和发展。

关键词：残余；应力；检测；技术；碳化硅单晶材料

前言：碳化硅单晶材料残余应力是由内部应力、外部应力和热残余应力等多种因素共同作用而形成的。其对于单晶材料的机械性能、热稳定性和导电性质等都有较大的影响。因此，在单晶材料生产过程中，需要对其残余应力进行检测和分析，以便及时发现问题并采取相应措施。本文介绍了碳化硅单晶材料中残余应力的来源和影响，并对多种残余应力检测技术进行了比较和分析。我们希望通过本文，能够为相关行业提供一些有益的参考和建议，同时推动碳化硅单晶材料的生产和应用技术不断完善。

1 碳化硅单晶材料中残余应力的来源

碳化硅单晶材料具有优良的物理、化学和机械性能，在众多高科技领域中得到了广泛应用。然而，在其制备和应用过程中，残余应力的存在会导致材料性能下降和器件寿命缩短。因此，对于单晶材料中残余应力的来源进行深入研究和分析，对于材料的性能提升和应用推广有着重要的意义[1]。

1.1内部因素

单晶材料中晶格畸变会导致晶格参数的不规则变化，从而导致内部应力的产生。当晶格畸变比较明显时，晶格内部的应力就会相互作用，从而形成较大的残余应力。晶格位错在碳化硅单晶材料中是常见的缺陷之一。这类缺陷会导致晶格

畸变和粘滞现象的发生，进而引起材料中的残余应力。在单晶材料的制备过程中，由于制备条件的限制以及材料本身的物理性质，基底中会产生一定的内部应力。

这类内部应力在材料的使用过程中直接导致残余应力的存在。

1.2 外部因素

碳化硅单晶材料的制备过程中，温度、压力、气氛和速率等因素都可能会对

材料的内部结构和性能产生影响，从而导致残余应力的产生。如在CVD过程中，

由于温度的变化和淀积的材料形成，由于不同方向的晶体结构，会导致晶格畸变

等引起一定的残余应力。碳化硅单晶材料和其它材料（如金属、硅等）的热膨胀

系数不同，使得两种材料在热膨胀过程中产生相互作用，所产生的位移和应力也

会导致单晶材料中的残余应力[2]。碳化硅单晶材料在使用过程中，常常需要承受

一定的外部应力，如机械载荷、热应力等。这些外部应力的大小和方向与材料的

内部结构和性能密切相关，往往会形成单晶材料中的残余应力。

2碳化硅单晶材料残余应力检测技术

2.1光弹性法

光弹性法是一种高效率、高精度的无损伤残余应力检测工具。它基于

晶体在外加应力作用下的双折射现象，通过检测偏振光偏振方向的变化，来计算

材料中的残余应力。与其他残余应力测量方法相比，光弹性法具有检测速度快、

精度高、分辨率高、可重复性好等显著优势。光弹性法已经广泛应用于材料科学、工程、航空航天等领域中，例如在建筑物、桥梁和飞机的静力试验中，都可以使

用光弹性法进行精准测量。此外，光弹性法还可以用于汽车轮毂、机械零件等产

品的生产过程中，以确保其质量符合标准。然而，光弹性法也存在一定局限。其

主要限制在于不能进行特定晶向的测量。此外，一些材料（如非晶态材料）的光

学性质无法满足双折射现象，从而不适用于该方法。光弹性法是一种非常有用的

残余应力检测技术，被广泛应用于各种领域。但是，使用前需要查看其适用范围

以及其局限性，以避免不必要的测量误差[3]。

2.2 X射线衍射法

X射线衍射法是一种广泛应用于材料应力分析的非破坏性测试方法，可

以测量材料中晶体的结晶度、晶胞参数、晶格畸变以及残余应力等信息。

2.2.1 Imura方法

Imura方法是一种用于测量材料残余应力和应力状态的试样旋转法。它

利用X射线衍射技术产生的X射线衍射图谱来完成测量，计算出材料的残余应力

分量和应力状态。其主要优点在于实时反求解，同时其测量结果可靠，而且准确

性高。但它的缺点在于试样旋转范围有限，这就需要更大的样品尺寸。在Imura

方法过程中，测试材料被固定在一定角度下进行旋转，然后通过X射线衍射技术

来生成材料的衍射图谱。这些图谱可以用于计算材料的残余应力分量和应力状态。在计算的过程中，需要更多的衍射图谱来提高计算结果的准确性，这就需要尽量

减少需要计算的材料的缺陷，保证材料是尽可能完整的。能够实时反求解，是Imura方法的最大优点之一。这意味着可以在测试过程中进行实时计算，而不要

等待计算结果的反馈[4]。这样就可以在改善材料的质量和性能时，快速地进行反

应和测试。此外，即使Imura方法需要大尺寸的样品，但是由于该方法的准确性

和精确性相当高，因此它仍然是研究材料的残余应力和应力状态的有价值的方法

之一。Imura方法是一种基于X射线衍射技术的试样旋转法，用于测量材料残余

应力分量和应力状态。它的最大优点是可以实时反映问题求解，同时准确性和精

确性也很高。因此，它在研究材料的残余应力和应力状态方面非常有价值。

2.2.2 Ortner方法

Ortner方法是应力分析领域中一种广泛使用的技术，它通过测量材料

的X射线衍射图案来确定材料中的残余应力。在工程和材料科学中，残余应力是

由于材料的制造过程或变形引起的内部应力。这些应力可以对材料的性能和寿命

产生重大影响，因此对其进行测量和分析非常重要。Ortner方法的原理是利用X

射线通过材料时的衍射图案来反求材料中的残余应力张量。衍射图案是由材料中

晶体的结构和排列方式所导致的。因此，对于具有晶向性结构的材料，Ortner方

法具有很好的适用性。通过在多个方向进行测量，可以确定材料中的残余应力的

大小和分布。该方法的具体实施需要使用X射线仪器和计算机软件进行数据处理。首先，需要在样品上选择一个合适的区域进行测量，在该区域内对材料进行真空