含夾雜壓電材料的蠕變特性與夾雜的演化

《含夾雜壓電材料的蠕變特性與夾雜的演化》是依託上海交通大學，由王熙擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：含夾雜壓電材料的蠕變特性與夾雜的演化
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：王熙
• 依託單位：上海交通大學

項目摘要

本申請項目旨在利用能夠反映界面擴散和體擴散等原子（或分子）傳輸過程的顯微結構演化理論，建立壓電材料中夾雜與基體界面層的熱力學勢，由此分別導出含夾雜壓電材料的蠕變速率和夾雜（或孔洞）在壓電體內演化的動力學控制方程；基於彌散界面理論，發展、完善相場模型的數值方法在模擬含夾雜壓電材料力學行為中的套用；理論解析和數值模擬相結合，揭示在不同溫度環境和力、電耦合載荷作用下，相關控制參數對含夾雜壓電材料蠕變特性和夾雜（孔洞）在壓電體內演化的影響機理，為壓電機敏元件的力學行為設計與製備提供理論依據，具有重要的科學與經濟價值。

結題摘要

壓電陶瓷作為一種重要的力、熱、電、光敏感功能材料,已經在感測器、超聲換能器和微位移器等方面得到了廣泛的套用。壓電陶瓷材料一般具有韌性低和缺陷敏感性高的特點，常常會因製備和使用過程中不可避免的存在夾雜、孔洞和位錯等各種缺陷。這些缺陷會不同程度地影響壓電材料的電彈耦合性能而導致其設計功能的偏差、喪失或損傷破壞。 本研究項目是基於能夠反映界面擴散和體擴散等原子傳輸過程的顯微結構演化理論，建立壓電材料中夾雜與基體界面層的熱力學勢，由此導出含夾雜壓電材料的蠕變速率和夾雜（孔洞）在壓電體內演化的動力學控制方程；發展、完善相場模型的數值方法在模擬含夾雜（孔洞）壓電材料力學行為中的套用；揭示在力、電耦合載荷作用下，相關控制參數對夾含夾雜壓電材料的蠕變速率和雜（孔洞）在壓電體內演化的影響機理。獲得的重要結果分別為： （1）揭示含夾雜壓電材料中夾雜的幾何形狀、材料性能對含夾雜壓電材料的蠕變速率和夾雜（孔洞）在壓電體內遷移規律的影響。研究結果表明:剛性夾雜要比柔性夾雜遷移得快些，夾雜的壓電性質和介電性質對其遷移運動的影響有一定的規律，當夾雜的壓電性和介電性變化到一定值後，其影響作用就逐漸減低。 （2）基於各向異性相場方法，模擬在力電耦合載荷作用下有限尺度壓電薄膜中夾雜缺陷的形態演化和遷移運動規律。研究結果表明：在法向梯度應力作用下，有限尺度壓電薄膜中裂紋形態的夾雜缺陷尖端出現退化現象，並逐步退化到一個穩定狀態，以致該類型的夾雜缺陷並不導致有限尺度壓電薄膜橫向界面的穿透破壞。 （3）基於熱動力學勢和壓電理論，獲得了電場、內壓力和界面壓力對於壓電材料內球形孔洞收縮特徵和歷程影響規律的解析解。研究結果表明, 外加電場使得壓電材料內球形孔洞收縮到一個最終的穩定尺寸變大,並使得壓電材料內球形孔洞收縮速率減小。 研究結果揭示了含任意形狀夾雜（孔洞）在壓電體內遷移演化機理和對壓電體電彈耦合性能的影響規律，為壓電材料的損傷缺陷評估提供理論依據，具有重要的科學與經濟價值。