壓電材料中電致裂紋發射位錯機理及其效應研究

《壓電材料中電致裂紋發射位錯機理及其效應研究》是依託南京航空航天大學，由宋豪鵬擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：壓電材料中電致裂紋發射位錯機理及其效應研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：宋豪鵬
• 依託單位：南京航空航天大學

項目摘要

壓電材料較差的韌性極大地限制了其套用範圍。壓電材料韌性差的根源之一在於其內部裂紋擴展所需的機械載荷低於位錯發射所需的機械載荷，這導致一般情況下壓電材料中的裂紋難以通過發射位錯導致自身鈍化並緩解裂尖的應力集中。本項目採用理論分析與實驗觀察測試相結合的方式，利用壓電材料的力-電耦合特性，研究電載荷促使位錯發射的機理和特徵。通過研究壓電材料中作用在位錯上的各種力，建立壓電材料中裂紋發射位錯的模型和判據，討論裂紋電可穿透性和幾何形狀、材料電彈常數、力電載荷配置、剩餘位錯在裂紋表面的分布及裂紋內部介電常數和電場等因素對位錯發射和裂紋擴展的促進或抑制作用。探索促使壓電材料中裂紋在擴展前發射位錯並鬆弛應力的機理，為壓電材料的增韌設計及斷裂失效研究提供科學依據。

結題摘要

壓電材料較差的韌性極大地限制了其套用範圍。壓電材料韌性差的根源之一在於其內部裂紋擴展所需的機械載荷低於位錯發射所需的機械載荷，這導致一般情況下壓電材料中的裂紋難以通過發射位錯導致自身鈍化並緩解裂尖的應力集中。本項目研究了電載荷對位錯的影響，討論了促使位錯發射的機理和特徵。主要結果包括：1. 從壓電材料的內能出發重新推導作用在壓電位錯上的力的表達式，即壓電材料中的Peach-Koehler公式，並比較了與原先位錯力公式的區別。2. 修正了位錯發射模型，闡明了位錯總是成對產生，因此一個位錯從裂尖發射後必定另外一個符號相反的位錯將殘留在裂紋表面並改變裂紋附近的應力場。 通過傅立葉展開方法得到了殘餘位錯在裂紋表面任意分布時產生的應力場、電場的級數形式解。3.討論了裂紋面電可穿透性和幾何形狀、材料電彈常數、力電載荷配置、剩餘位錯在裂紋表面的分布及裂紋內部介電常數和電場等因素對位錯發射和裂紋擴展的促進或抑制作用。結果表明，殘餘位錯在裂紋內產生負電場，並對裂紋具有禁止效應（降低裂紋尖端的應力強度因子）。位錯發射所需的臨界應力受到殘餘位錯分布的影響。殘餘位錯集中於裂紋尖端時裂紋發射位錯最困難. 被發射位錯與電位移載荷符號相同時, 位移載荷促進位錯發射，反之亦然。裂紋內介電常數的增加可有效促進位錯發射. 4. 研究了裂紋沿界面擴展與穿過界面擴展兩種模式的競爭關係，結果表明裂紋沿界面擴展以及增韌相介電常數的增加均使裂紋穿過增韌相擴展變得困難，而裂紋穿過增韌相擴展即可能促進也可能阻礙裂紋沿界面擴展。5. 研究了增韌相內的裂紋問題，結果表明，增韌相不僅增加位錯對裂紋的禁止效應，其本身也對裂紋產生禁止效應。 這些研究結論增加了研究者對壓電材料斷裂問題的理解，為壓電材料的增韌設計及斷裂失效研究提供了科學依據，研究過程中獲得的系列解析解答以及解析求解方法也為壓電材料斷裂研究提供了有力工具。