《力電耦合作用下鐵電單晶裂紋擴展機理研究》是依託武漢大學，由李應衛擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：力電耦合作用下鐵電單晶裂紋擴展機理研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：李應衛
- 依託單位：武漢大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
理解鐵電材料力電耦合作用下的斷裂破壞機理是對鐵電器件最佳化設計和可靠性評估的關鍵。過去學者已通過測量鐵電陶瓷的巨觀斷裂韌性和裂紋擴展速率探討過鐵電材料的斷裂破壞過程，但因缺乏裂紋擴展及裂尖疇變行為的詳細實驗數據，到目前為止，鐵電材料斷裂破壞的實際物理力學過程仍不清晰，並且，理論模型與實驗結果還存在諸多矛盾。為此，本項目擬搭建原位載入實驗平台，通過同步觀測鐵電單晶在外載作用下的裂尖疇變和裂紋擴展行為，進一步了解裂紋擴展與裂尖疇變之間的相互作用機制，揭示鐵電材料的斷裂機理。考慮到裂尖疇變在裂紋擴展中起關鍵作用，我們也將研究鐵電單晶在力電耦合作用下的電疇演化和巨觀回響特性，從不同層面理解約束對鐵電材料電疇翻轉行為的影響。最後，我們將集成實驗結果，細化鐵電材料電疇演化行為的描述辦法，建立考慮裂紋尖端非協調疇變效應的鐵電單晶斷裂模型，對影響鐵電材料斷裂破壞的關鍵因素進行定量分析。
結題摘要
理解力電耦合作用下鐵電材料的斷裂破壞機理是對鐵電器件最佳化設計和可靠性評估的關鍵，其中，涉及到的關鍵科學問題包括電場作用下裂紋面的電邊界條件的表征；約束條件下鐵電材料電疇翻轉問題；力電耦合作用下裂紋尖端疇變行為與裂紋擴展的作用機制；材料初始狀態對裂紋擴展行為的影響等，國內外研究者對以上問題的研究都非常重視。在本項目的支持上，我們利用鈦酸鋇單晶，通過原位試驗，對以上部分問題進行了表征：（1）測試了帶有自然裂紋的鈦酸鋇單晶在電場作用下的極化回響，並觀測了鈦酸鋇單晶靠近裂紋面的疇變行為，測試結果表明，對新裂紋，鐵電材料的電邊界條件為導通裂紋，隨著載入周期的增加，裂紋面逐漸有顆粒物脫落，裂紋邊界條件也有導通裂紋向半導通裂紋發展；（2）根據力電耦合下鈦酸鋇單晶的電疇翻轉行為，建立了增量型電疇翻轉準則，該準則可以良好的預測力電耦合作用下鈦酸鋇單晶的電疇翻轉行為；（3）設計了一套緊湊的原位力載入試驗裝置，力通過壓電致動器載入，該裝置可以放在顯微鏡下面，利用該裝置，測試了電場對裂紋擴展行為的影響，發現在電場作用下，裂紋會沿45o方向發生偏折；（4）研究了初始電疇結構對鈦酸鋇單晶電致裂紋擴展行為的影響，初始疇結構為a-a疇的試件，裂紋擴展前裂紋尖端有明顯的疇變行為，而對a-c疇結構試件，裂紋擴展前沒有觀察到裂紋尖端發生疇變，裂紋擴展速度也要遠大於具有a-a疇結構的試件。另外，在該項目的支持下，我們還研究了PZT陶瓷的高溫下的本構行為和疲勞斷裂行為。
