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铁电陶瓷的电致失效力学

朱廷  
【摘要】:铁电陶瓷作为新一代功能陶瓷的代表,其可靠性问题日益受到人们的关注。 铁电陶瓷在电场或力电耦合载荷作用下的典型失效模式为电致断裂和电致疲 劳。本文尝试采用断裂力学、畴变细观力学和介电物理学相结合的方法,从实验 和理论角度对铁电陶瓷的电致失效力学问题进行了研究。论文从电场驱动的裂尖 微结构演化导致电致失效这一基本思路出发,获得了裂尖集中电场诱发90°铁电 畴变的实验图像,提出了电致畴变断裂的理论模型,阐明了铁电陶瓷电致断裂, 疲劳裂纹扩展和裂纹偏折的失效机理。在铁电陶瓷电致失效研究这一新领域所完 成的主要工作有: 一、首次报道了裂尖集中电场诱发的90°铁电畴变的实验现象。利用不同取向铁 电畴的腐蚀速率不同的原理,获得了裂尖前方晶粒内电场诱发的90°a-c畴 结构的SEM照片。这一观测结果为电场驱动裂尖微结构演化的模型提供了 清晰的物理过程图像,并为进一步的理论分析提供了直接的实验依据。 二、提出了基于细观物理机制的小范围畴变模型。区别于传统的介电失效,揭示 了由裂尖集中电场引起畴变,畴变导致非协调应力,由应力驱动断裂的电致 失效机理。在此基础上,进行了电致断裂、断裂韧性的各向异性和断裂韧性 关于电场的非对称变化的理论分析。解决了基于线性压电本构的电致断裂分 析与实验观测不一致的矛盾。 三、观测了循环电场低于矫顽电场加载时,电致疲劳裂纹扩展的规律:首次阐明 了电致疲劳裂纹扩展的机理。不同于Cao和Evans的实验报道(矫顽电场以 下,裂纹不发生扩展),通过长焦距显微镜实时观测了循环电场的幅值低于 矫顽电场时,铁电陶瓷中疲劳裂纹扩展的规律。在实验基础上,理论分析了 铁电畴在交变电场作用下循环翻转而产生循环应力,以及由循环应力驱动裂 纹以起裂、扩展、止裂、再起裂的模式循环向前扩展的过程。定量给出了电 致疲劳裂纹扩展量与电场翻转次数的理论预测值,并与实验观测结果吻合较 好。 四、求解了铁电陶瓷中偏折裂纹的问题,讨论了电场对裂纹偏折的影响。基于线 性压电本构,将偏折裂纹等效为连续分布的位错和电偶极子,采用推广的 Stroh方法,建立了以位错密度和电偶极子密度为未知量的奇异积分方程 组。数值计算结果表明,1.在垂直拉应力和垂直正电场作用下,裂纹不发 生偏折,沿直线扩展;2.在混合型机械载荷作用下,垂直正电场将增加裂 纹偏折角度,3.沿水平侧向施加的正电场和水平拉应力促进裂纹偏折,而 沿水平侧向施加的负电场和水平压应力抑制裂纹偏折。


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