铁电材料动态断裂力学研究

发布时间：2017-10-10 12:18

  本文关键词：铁电材料动态断裂力学研究

  更多相关文章： 铁电材料 动态断裂 畴变 电/热/力多场耦合

【摘要】：铁电材料具有压电、铁电、非线性光学等优良特性,广泛应用于国防、通信电子、医药等领域,能满足各种静、动态力/电耦合复杂工况需求。但由于铁电材料断裂韧性较低,使得器件的可靠性问题变得尤为重要和突出。本文围绕铁电材料动态断裂力学问题,通过理论、实验与数值模拟相结合的方法,开展以下工作:首先,进行冲击载荷作用下铁电陶瓷断裂机理研究。实验测定不同电场加载频率、环境温度下的铁电块体材料的电滞回线,提出了考虑电场加载频率和温度效应的Johnson-Cook(J-C)型铁电畴变翻转准则;搭建了改进型霍普金森杆实验装置,测定不同极化方向试件的静、动态断裂韧性,发展了“率相关”应力诱导畴变模型,可有效解释动态断裂韧性“各向同性”的实验现象;设计了电脉冲载荷下铁电陶瓷材料断裂实验,建立了“率相关”电场诱导畴变理论模型,可较好解释实验现象。其次,展开循环电脉冲载荷作用下铁电陶瓷断裂力学研究。基于畴变致温升机理,提出了一种新型在位观测畴变实验表征方法,使得定量测定电致畴变热功转化系数、裂纹尖端180?畴变区成为可能;率先报道了铁电陶瓷电致畴变电场做功未能全部转化为热能的实验结果,铁电陶瓷PZT-5材料热功转化系数约为80%,建立了经实验验证的铁电陶瓷热功转化的模型;首次发现了循环低压高频电载荷作用下裂纹失稳扩展的新现象,提出了中心椭圆孔大范围畴变翻转理论模型(RLSS),发展了电/热/力多场耦合作用下裂纹扩展数值模拟方法,揭示了电/热/力多场耦合作用下铁电陶瓷裂纹失稳机理,建立了不同电场频率和幅值组合下的破坏相图,可指导压电/铁电器件工程设计;发展了主动电脉冲红外检测(AEPT)方法,可用于含缺陷压电/铁电器件的无损检测。最后,探讨铁电材料裂纹的动态扩展理论问题。运用Wiener-Hopf等数学方法,研究了压电材料I型动态裂纹扩展理论问题,解决了控制方程力/电场耦合难题,获得动态应力强度因子、动态电位移强度因子及其相应的普适函数的解析形式,发现了对压电I型动态力学行为有重要影响的力电耦合系数ke和控制裂纹动态扩展特征的广义瑞利波速;考虑非线性效应,利用Stroh等数学方法,进行了铁电材料Yoffe型裂纹动态理论模型的求解,得到了动态应力强度因子、电屈服区的解析解,发现铁电材料平面裂纹扩展存在临界偏折速度。
【关键词】：铁电材料 动态断裂 畴变 电/热/力多场耦合
【学位授予单位】：清华大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O346.1
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 第1章 绪论8-15
• 1.1 课题背景8-11
• 1.1.1 铁电材料的基本概念8-10
• 1.1.2 铁电材料动态服役环境10-11
• 1.2 铁电材料动态断裂力学研究进展11-13
• 1.2.1 第一类问题：冲击力、脉冲电载荷作用下铁电断裂力学研究11-12
• 1.2.2 第二类问题：铁电材料的裂纹动态扩展研究12-13
• 1.3 目前研究中存在的问题13
• 1.4 本文研究的主要内容13-15
• 第2章 两个基本问题15-39
• 2.1 铁电材料J-C型畴变翻转准则15-25
• 2.1.1 实验研究15-23
• 2.1.2 理论模型23-25
• 2.2 铁电材料电致畴变热功转化机理25-38
• 2.2.1 实验研究25-28
• 2.2.2 理论模型28-38
• 2.3 本章小结38-39
• 第3章 冲击载荷作用下铁电陶瓷断裂39-55
• 3.1 机械力冲击载荷作用下铁电陶瓷断裂39-49
• 3.1.1 实验研究39-47
• 3.1.2 理论模型47-49
• 3.2 电脉冲载荷作用下铁电陶瓷断裂49-54
• 3.2.1 实验研究49-52
• 3.2.2 理论模型52-54
• 3.3 本章小结54-55
• 第4章 循环电脉冲载荷作用下铁电陶瓷断裂55-81
• 4.1 电场作用下铁电陶瓷孔洞缺陷畴变区研究55-68
• 4.1.1 实验研究55-60
• 4.1.2 理论模型60-64
• 4.1.3 新型压电/铁电器件无损检测方法64-68
• 4.2 电/热/力多场耦合作用下铁电材料断裂行为68-80
• 4.2.1 实验研究68-71
• 4.2.2 理论模型71-75
• 4.2.3 数值模拟75-80
• 4.3 本章小结80-81
• 第5章 铁电材料裂纹动态扩展理论研究81-107
• 5.1 压电材料I型动态裂纹扩展理论研究81-97
• 5.1.1 问题描述81-83
• 5.1.2 问题求解83-92
• 5.1.3 算例与讨论92-97
• 5.2 铁电材料Yoffe型裂纹动态扩展理论97-106
• 5.2.1 问题描述97-98
• 5.2.2 问题求解98-102
• 5.2.3 算例与讨论102-106
• 5.3 本章小结106-107
• 第6章 全文总结107-109
• 参考文献109-116
• 致谢116-118
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果118

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本文编号：1006351