力—电场作用下铁电材料微观结构演变的相场模拟研究

发布时间：2017-03-24 09:11

  本文关键词：力—电场作用下铁电材料微观结构演变的相场模拟研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：铁电材料作为一类具有力-电转化功能的智能材料,其宏观的力电转化效能、相变与力学行为与材料细微观的畴结构、畴界、极化取向等密切关联。众所周知,铁电材料内部的电畴结构又极易被机械约束、温度、电场等外界因素所改变,进而直接影响铁电宏观器件的使用性能和工作周期,同时也使得铁电材料的力电耦合行为比一般材料更加复杂。因此,开展多场耦合下铁电材料微观结构演变以及研究畴结构及畴翻转动力学性能的研究不仅是提高以铁电材料为基础的宏观器件性能不可或缺的途径,同时也是促进铁电材料在复杂的工作环境应用的有效手段。本文采用相场方法,以热力学和动力学基本原理为基础,针对铁电材料相变过程中微结构演化及电畴特征进行了数值仿真研究。采用时变的金兹堡-朗道(Time Dependent Ginzburg-Landau)方程来描述铁电材料在多场耦合作用下相变过程中畴结构以及畴界等微观结构的演化动力学特性,开展了PbTiO3材料外电场、外力诱发下的相变机制与畴结构演变过程的模拟。研究表明:无外场作用下,铁电材料内部电畴结构随着系统整体能量的演化,发生形核和生长的过程;其中新畴通过扩张和吞噬周边畴的形式长大,达到稳定结构后,畴结构不再随时间变化,畴壁规整,畴结构满足一定的规律性。在无外场下稳定演变结果的基础上,外加电场作用,平衡状态被打破后,电畴随着畴壁的运动生长变大,其中不同区域的极化畴分别进行着90度或180度的极化反转,当系统能量达到极小值时,结构达到稳定状态,不再随时间变化。在无外场下稳定演变结果的基础上,外加应力作用,平衡状态被打破后,只发生可以降低弹性能的90度畴的极化反转,达到稳定状态时,畴结构不再随时间变化。本文建立的可以用来描述力电耦合下作用铁电材料微观组织结构演变过程的相场模型,为深入探究铁电材料的细微观研究方法提供基本的理论依据与分析途径。同时也为以铁电材料为基础的敏感器件在实际工程应用中力电学性能的预测与评价提供一定的理论指导。
【关键词】：铁电材料 有限元方法 微结构演化 相场理论
【学位授予单位】：兰州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB381
【目录】：

• 中文摘要3-4
• Abstract4-8
• 第一章 绪论8-17
• 1.1 铁电材料概述8-11
• 1.1.1 铁电材料的基本概念8-9
• 1.1.2 铁电材料的发展历史9
• 1.1.3 铁电材料的应用领域9-11
• 1.2 相场方法概述11-15
• 1.2.2 相场方法的理论模型12-13
• 1.2.3 相场方法在微结构演变模拟中的应用13-15
• 1.3 课题的提出以及本文主要工作15-17
• 第二章 力电耦合下铁电材料畴演变的相场模型17-31
• 2.1 引言17
• 2.2 力电耦合下铁电材料畴演变相场模型的建立17-19
• 2.2.1 热力学函数17-18
• 2.2.2 各物理场的本构方程18
• 2.2.3 各物理场的平衡方程和边界条件18-19
• 2.3 相场方程及数值求解方法19-21
• 2.3.1 傅里叶谱方法19-20
• 2.3.2 有限元方法20-21
• 2.4 有限元弱形式推导与离散21-22
• 2.5 PbTiO_3铁电材料畴演变的相场模型22-30
• 2.5.1 热力学函数与平衡方程22-23
• 2.5.2 材料参数与无量纲化23-24
• 2.5.3 模型验证及结果24-30
• 2.6 本章小结30-31
• 第三章 力-电场作用下PbTiO_3材料畴演变的相场模拟31-61
• 3.1 引言31
• 3.2 不同应力状态下的铁电畴结构演变31-43
• 3.2.1 不同应力方向下的铁电畴结构演变31-35
• 3.2.2 不同应力强度下的铁电畴结构演变35-43
• 3.3 不同外电场作用下的铁电畴结构演变43-54
• 3.3.1 不同电场方向下的铁电畴结构演变43-46
• 3.3.2 不同电场强度下的铁电畴结构演变46-51
• 3.3.3 交变电场下的铁电畴结构演变51-54
• 3.4 力电耦合作用下的铁电畴结构演变54-60
• 3.5 本章小结60-61
• 第四章 总结和展望61-63
• 4.1 全文总结61-62
• 4.2 工作展望62-63
• 参考文献63-68
• 致谢68

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