铁电晶体断裂与疲劳研究

【摘要】：铁电晶体和压电晶体因其力电耦合特性已得到广泛的应用,但是由于铁电晶体很脆,这在很大程度上限制了它的应用。因此揭示铁电晶体在力电载荷作用下的断裂和疲劳破坏机制就十分重要。 本文采用理论、计算和实验等多种研究手段对铁电材料的断裂和疲劳进行了研究,主要包括以下几方面的内容: 一、对于含裂纹铁电晶体在力电载荷作用下进行了能量分析,并提出一种考虑裂尖电饱和的能量释放率准则用以判断裂纹是否扩展,结果显示与实验现象吻合,与他人的理论对比,该准则具有更清晰的物理意义。 二、首次考察了剩余极化对含缺陷的铁电材料力电场的影响,分椭圆孔和裂纹两种情况,并采用精确边界条件进行了求解。结果显示,剩余极化的作用与电场相当,而且其影响一般情况下不能忽略。剩余极化作用的引入可以解释一些实验现象,并使线性压电本构下场的求解更趋于全面。 三、对于含自然裂纹的铁电晶体进行了电疲劳实验。据我们所知这是首次对贯穿自然裂纹铁电材料试件进行电疲劳实验。我们发现,当电疲劳载荷较小时,微裂纹长大机制占优,而当加较高的电疲劳载荷时,主裂纹扩展机制占优。我们在实验中观测到,电疲劳裂纹扩展总是伴随着裂纹内放电现象,我们采用了两种模型来模拟放电所致裂纹扩展机制,并与实验所测得的疲劳扩展速率与电载荷曲线进行了对比。另外,对于铁电晶体在极化和疲劳过程中产生微裂纹的实验现象,我们也建立了一个理论模型进行模拟,可以解释一些实验现象。 四、利用电畴翻转模型进行了铁电结构的有限元模拟,导出了含本征量非线性力电有限元格式,对于电畴翻转,提出了双Gibbs自由能判据,并结合精心设计的迭代算法使计算稳定收敛,且计算结果显示合理,能反映出电畴翻转情况,并与实验现象相吻合。鉴于以往电畴翻转判据在有限元计算方面的不足,我们还通过能量分析提出一种全能量电畴翻转判据,其适用范围更广,并能更好的模拟出本构实验曲线。