本文關鍵詞：鐵電材料動態(tài)斷裂力學研究

  更多相關文章： 鐵電材料 動態(tài)斷裂 疇變 電/熱/力多場耦合

【摘要】：鐵電材料具有壓電、鐵電、非線性光學等優(yōu)良特性,廣泛應用于國防、通信電子、醫(yī)藥等領域,能滿足各種靜、動態(tài)力/電耦合復雜工況需求。但由于鐵電材料斷裂韌性較低,使得器件的可靠性問題變得尤為重要和突出。本文圍繞鐵電材料動態(tài)斷裂力學問題,通過理論、實驗與數(shù)值模擬相結合的方法,開展以下工作:首先,進行沖擊載荷作用下鐵電陶瓷斷裂機理研究。實驗測定不同電場加載頻率、環(huán)境溫度下的鐵電塊體材料的電滯回線,提出了考慮電場加載頻率和溫度效應的Johnson-Cook(J-C)型鐵電疇變翻轉準則;搭建了改進型霍普金森桿實驗裝置,測定不同極化方向試件的靜、動態(tài)斷裂韌性,發(fā)展了“率相關”應力誘導疇變模型,可有效解釋動態(tài)斷裂韌性“各向同性”的實驗現(xiàn)象;設計了電脈沖載荷下鐵電陶瓷材料斷裂實驗,建立了“率相關”電場誘導疇變理論模型,可較好解釋實驗現(xiàn)象。其次,展開循環(huán)電脈沖載荷作用下鐵電陶瓷斷裂力學研究。基于疇變致溫升機理,提出了一種新型在位觀測疇變實驗表征方法,使得定量測定電致疇變熱功轉化系數(shù)、裂紋尖端180?疇變區(qū)成為可能;率先報道了鐵電陶瓷電致疇變電場做功未能全部轉化為熱能的實驗結果,鐵電陶瓷PZT-5材料熱功轉化系數(shù)約為80%,建立了經(jīng)實驗驗證的鐵電陶瓷熱功轉化的模型;首次發(fā)現(xiàn)了循環(huán)低壓高頻電載荷作用下裂紋失穩(wěn)擴展的新現(xiàn)象,提出了中心橢圓孔大范圍疇變翻轉理論模型(RLSS),發(fā)展了電/熱/力多場耦合作用下裂紋擴展數(shù)值模擬方法,揭示了電/熱/力多場耦合作用下鐵電陶瓷裂紋失穩(wěn)機理,建立了不同電場頻率和幅值組合下的破壞相圖,可指導壓電/鐵電器件工程設計;發(fā)展了主動電脈沖紅外檢測(AEPT)方法,可用于含缺陷壓電/鐵電器件的無損檢測。最后,探討鐵電材料裂紋的動態(tài)擴展理論問題。運用Wiener-Hopf等數(shù)學方法,研究了壓電材料I型動態(tài)裂紋擴展理論問題,解決了控制方程力/電場耦合難題,獲得動態(tài)應力強度因子、動態(tài)電位移強度因子及其相應的普適函數(shù)的解析形式,發(fā)現(xiàn)了對壓電I型動態(tài)力學行為有重要影響的力電耦合系數(shù)ke和控制裂紋動態(tài)擴展特征的廣義瑞利波速;考慮非線性效應,利用Stroh等數(shù)學方法,進行了鐵電材料Yoffe型裂紋動態(tài)理論模型的求解,得到了動態(tài)應力強度因子、電屈服區(qū)的解析解,發(fā)現(xiàn)鐵電材料平面裂紋擴展存在臨界偏折速度。
【關鍵詞】：鐵電材料 動態(tài)斷裂 疇變 電/熱/力多場耦合
【學位授予單位】：清華大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：O346.1
【目錄】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 第1章 緒論8-15
• 1.1 課題背景8-11
• 1.1.1 鐵電材料的基本概念8-10
• 1.1.2 鐵電材料動態(tài)服役環(huán)境10-11
• 1.2 鐵電材料動態(tài)斷裂力學研究進展11-13
• 1.2.1 第一類問題：沖擊力、脈沖電載荷作用下鐵電斷裂力學研究11-12
• 1.2.2 第二類問題：鐵電材料的裂紋動態(tài)擴展研究12-13
• 1.3 目前研究中存在的問題13
• 1.4 本文研究的主要內(nèi)容13-15
• 第2章 兩個基本問題15-39
• 2.1 鐵電材料J-C型疇變翻轉準則15-25
• 2.1.1 實驗研究15-23
• 2.1.2 理論模型23-25
• 2.2 鐵電材料電致疇變熱功轉化機理25-38
• 2.2.1 實驗研究25-28
• 2.2.2 理論模型28-38
• 2.3 本章小結38-39
• 第3章 沖擊載荷作用下鐵電陶瓷斷裂39-55
• 3.1 機械力沖擊載荷作用下鐵電陶瓷斷裂39-49
• 3.1.1 實驗研究39-47
• 3.1.2 理論模型47-49
• 3.2 電脈沖載荷作用下鐵電陶瓷斷裂49-54
• 3.2.1 實驗研究49-52
• 3.2.2 理論模型52-54
• 3.3 本章小結54-55
• 第4章 循環(huán)電脈沖載荷作用下鐵電陶瓷斷裂55-81
• 4.1 電場作用下鐵電陶瓷孔洞缺陷疇變區(qū)研究55-68
• 4.1.1 實驗研究55-60
• 4.1.2 理論模型60-64
• 4.1.3 新型壓電/鐵電器件無損檢測方法64-68
• 4.2 電/熱/力多場耦合作用下鐵電材料斷裂行為68-80
• 4.2.1 實驗研究68-71
• 4.2.2 理論模型71-75
• 4.2.3 數(shù)值模擬75-80
• 4.3 本章小結80-81
• 第5章 鐵電材料裂紋動態(tài)擴展理論研究81-107
• 5.1 壓電材料I型動態(tài)裂紋擴展理論研究81-97
• 5.1.1 問題描述81-83
• 5.1.2 問題求解83-92
• 5.1.3 算例與討論92-97
• 5.2 鐵電材料Yoffe型裂紋動態(tài)擴展理論97-106
• 5.2.1 問題描述97-98
• 5.2.2 問題求解98-102
• 5.2.3 算例與討論102-106
• 5.3 本章小結106-107
• 第6章 全文總結107-109
• 參考文獻109-116
• 致謝116-118
• 個人簡歷、在學期間發(fā)表的學術論文與研究成果118

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本文編號：1006351