单晶硅是大规模集成电路、微电子、微机电系统、光学功能器件等的重要功能材料,在信息技术、军用技术、空间技术、激光技术等领域的应用越来越受到人们的重视,成为各国竞相发展的高新技术。然而,在单晶硅晶片或单晶硅器件的加工和应用过程中,由于单晶硅属于硬脆材料,具有脆性大、加工表面易产生裂纹,严重影响了单晶硅的加工质量和单晶硅器件的工作性能。目前,对单晶硅微裂纹力学行为的研究还不完善。因此,深入研究单晶硅微裂纹的力学特性和微裂纹扩展的规律对于控制微裂纹的产生和扩展,提高单晶硅器件的加工质量和工作性能及使用寿命具有非常重要的意义。本课题选题来源于国家自然科学基金项目：“微机械摩擦副接触力学行为多尺度耦合分析方法研究”的部分内容。本文首先对断裂力学的基本理论和方法进行分析和研究；然后采用纳米压痕测试技术对单晶硅进行压入接触力学行为实验。通过MTALB对所获的实验数据进行了处理,获得材料在不同最大载荷下的载荷-压深曲线、硬度/弹性模量曲线,从相应的曲线图中可看出,随着最大载荷的不断增加,材料的硬度和弹性模量逐渐趋于稳定,其硬度值表现出明显的尺寸效应；接着利用原子力显微镜(AFM)分析了Si(100)单晶的微观破坏机理,在最大载荷为30mN时材料只表现为弹塑性变形且没有出现裂纹,随着最大载荷的增大,压痕周围材料堆积和表面隆起现象明显,裂纹长度也随着最大载荷的增大而逐渐增大,当最大载荷为230mN时,单晶硅表面产生了脆性断裂；最后运用线弹性断裂力学方法对材料在不同载荷与压头形状下,对压痕区域应力场的分布与微裂纹扩展的规律进行了计算机模拟研究,计算结果表明,在相同的受压圆弧半径下,随着压力荷载的增加,应力强度因子变化较平缓,但随着受压圆弧半径的增加,应力强度因子增加的速度很快,并且最大的应力强度因子超过了文献中单晶硅材料裂纹扩展的断裂极限,并以裂纹的Ⅰ型扩展为主,在裂纹尖端附近材料的最大等效应力是15.4GPa,约为材料屈服强度的3.1倍；由球形压头和圆锥压头的压力载荷-应力强度因子曲线图可以看出：当R<60nm时,球形压头的应力强度因子大于圆锥压头,当R>60nm时,圆锥压头的应力强度因子大于球形压头,当R=60nm时,球形压头和圆锥压头的压力载荷-应力强度因子曲线几乎完全重合。此外,采用von Mises准则证明了材料满足线弹性断裂力学的小范围屈服条件,说明文中通过计算材料的应力强度因子来比较其裂纹扩展的规律是合理的。