表面Maxwell应力对压电材料断裂效应的研究

发布时间：2021-01-22 12:52

　　压电材料已经在许多工程领域中得到广泛应用,对其断裂问题的研究也引起学者们的广泛关注。本文借助Stroh理论,对压电材料内的单裂纹问题、多裂纹问题以及界面裂纹问题展开研究,给出了相应问题的解析解和数值结果,探讨了在不同力-电载荷以及材料常数情况下,压电体表面静电力,即Maxwell应力,对压电材料断裂的影响。主要内容如下:（1）利用机械位错与电位错理论,研究了含半穿透裂纹压电材料带状电介质失效（DB）模型的解,揭示了裂纹内部电位移的分布情况,得到了场强度因子的解析解。结果表明:DB模型与带状极化饱和（PS）模型在本质上是一致,二者均预测裂纹表面与基体外表面上Maxwell应力将对场强度因子、电失效区尺寸产生较大的影响。（2）利用半穿透裂纹模型并采用保角变换与函数代换的方式,分别研究了共线双裂纹与周期性裂纹问题的解,给出了裂纹间的相互作用关系,分析了裂纹内介质与环境介质的介电常数对裂纹扩展的影响。（3）针对双压电材料内周期性裂纹问题,通过保角变换,给出了半穿透裂纹近似的解析解,并通过数值积分验证了此解的正确性。结果表明:在界面周期性裂纹中部,电位移是常数,而在裂纹尖端,应力与电场的强度因子... 

【文章来源】：南京航空航天大学江苏省 211工程院校

【文章页数】：72 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

正压电效应：机械载荷使材料产生电荷

产生电荷的正压电效应（图 1.1）。随后，其逆效应（图1.2）：在电场作用下，材料将发生形变的逆压电效应也被发现，这种力电相互转换的特性，犹如发电机与电动机的电能与机械能转换一般。此外，诸如弹性、介电性、热释电性、光电性等特性[2]，也被学者发现并应用于各领域中。由于其优良的特性，以压电材料为基础的器件与结构，具有广泛的应用。压电材料，如石英晶体(SiO2)、铌酸锂(LiNbO3)等，广泛用于晶体振荡器的制作，其在交变电场作用下，能保持稳定的振动频率，是制作频率控制器的重要组成部分，同时，也可利用其达到滤波的作用。早期的石英晶体压电性低，价格较为昂贵，同时难以加工成任意形状，但其稳定性、绝缘性使其在一些精度要求较高的仪器或传感器中是最佳的选择。自上世纪 40 年代末在 BaTiO3陶瓷的研发与应用之后，锆钛酸铅(PZT)与三元系(PCM)等压电陶瓷的研发，加快了压电材料在各领域的应用速度。压电陶瓷是经极化处理后具有压电相互转化的陶瓷材料。压电陶瓷材料与压电晶体相比，具有更高的压电性与介电常数，且便于制造，可加工成复杂的形状。由于其较强的压电性能，工业上应用也最广，如

南京航空航天大学硕士学位论文化与分布。利用压电材料的逆压电效应，可实现微位移的精确控制。由其制成的刚性位移驱动电陶瓷的多层堆栈，实现了较大的变形量，也可通过两种材料的粘接，利用材料常现弯曲的控制；而由压电材料制成的谐振位移驱动器：超声电机，分为接触式与非接功率与效率仍有待提高。最后，将压电材料制成聚合物，植入鞋底、路面或放置于海面，利用机械能与电能，制造发电装置。特别是从海洋中获取能源，由于潮汐力的影响，海流与海浪中蕴能量。在环海的区域上，利用海流发电接近无污染。压电聚合物具有良好的耐腐蚀也易于维护。

【参考文献】：
期刊论文
[1]无限压电体内共线周期裂纹间的相互作用[J]. 崔之健,胡洪平,杨峰.  应用数学和力学. 2008(07)
[2]陶瓷/聚合物压电复合材料的国内外概况和应用展望[J]. 游达,董玉林,张联盟.  新材料产业. 2002(09)

博士论文
[1]压电压磁固体断裂理论及数值方法研究[D]. 范翠英.兰州大学 2010



本文编号：2993261