高应变率下多孔未极化PZT95/5铁电陶瓷的非线性力学行为

采用添加造孔剂的方法制备了4种不同孔隙率的未极化PZT95/5铁电陶瓷。采用基于超高速相机与数字图像相关性方法的试样全场应变测量技术以及分离式霍普金森压杆（SHPB）技术,对多孔未极化PZT95/5铁电陶瓷进行高应变率单轴压缩实验研究。全场应变测量结果显示:轴向应变仅在试样中部分布较均匀,将该区域的平均应变作为应力-应变关系中的试样应变测量值较为合理,而由SHPB原理计算的试样应变值明显偏大,需要摒弃或修正传统的SHPB数据处理方法。通过波形整形技术实现了恒应变率加载,弱化了径向惯性效应的影响,揭示出多孔未极化PZT95/5铁电陶瓷的压缩强度具有显著的应变率效应。通过分析试样轴向应变和径向应变随着加载应力的变化,阐明多孔未极化PZT95/5铁电陶瓷的非线性变形行为的物理机制是畴变和相变共同作用,并发现畴变临界应力和相变临界应力都随着应变率升高而增大。保持加载应变率不变,讨论了孔隙率对多孔未极化PZT95/5铁电陶瓷动态力学行为的影响,发现随着孔隙率的升高,动态压缩强度呈非线性衰减,而畴变临界应力和相变临界应力则基本呈线性衰减。     

多孔极化PZT95/5铁电陶瓷单轴压缩力学响应与放电特性

采用添加造孔剂的方法制备了四种不同孔隙率PZT95/5铁电陶瓷,对其进行电场极化,随后开展了准静态单轴压缩实验,讨论了畴变、相变以及孔隙率对极化PZT95/5铁电陶瓷的力学响应与放电特性的影响. 研究结果表明：(1)多孔极化PZT95/5铁电陶瓷非线性力学响应行为主要归因于畴变和相变的共同作用,与内部孔洞变形和坍塌基本无关;(2) 在准静态单轴压缩下极化PZT95/5铁电陶瓷的去极化机制是畴变和相变的共同作用;(3) 孔隙率对极化PZT95/5铁电陶瓷的弹性模量、压缩强度有明显的影响,而对断裂应变的影响较小;(4)极化PZT95/5铁电陶瓷畴变和相变开始的临界应力都随着孔隙率的增大而线性衰减,但相变开始的临界体积应变却不依赖孔隙率;(5)极化PZT95/5铁电陶瓷电荷饱和释放量随着孔隙率呈线性减小,但孔隙率对电荷释放速率基本没有影响。     

多晶铁电材料的有效电弹性能预报

本文利用细观力学方法———Ｅｓｈｅｌｂｙ等效夹杂法和Ｍｏｒｉ Ｔａｎａｋａ的平均场理论,根据铁电材料的微结构特点,建立了一个细观统计模型对多晶铁电材料的有效电弹性能和模量进行分析预报．在本细观统计模型中,不仅考虑到单晶粒的形状影响,而且考虑铁电畴在外场作用下发生极化转动的影响．本文针对ＢａＴｉＯ３铁电陶瓷的有效电弹性能与系数的预报结果与实验观测结果相符     

铁电陶瓷PZT53复杂力电耦合行为的实验研究

通过实验研究了平行和垂直于极化方向的正应力对铁电陶瓷锆钛酸铅(PZT53)的电滞回线(E3-P3)和电致应变曲线(E-ε)的影响. 实验发现平行于极化方向的压应力对PZT53陶瓷的电滞回线、电致应变曲线形状以及矫顽场大小都有明显的影响，但是垂直于极化方向的拉、压应力只对PZT53陶瓷的电致应变曲线形状有明显的影响，但对电滞回线形状和矫顽场大小都没有显著影响. 采用畴翻转的模型详细解释了观察到的实验现象，所得结果为建立铁电陶瓷的多轴力、电耦合本构模型，提供了物理基础.     

含随机分布缺陷的多晶铁电材料的有效电弹性能

针对铁电材料含有随机分布缺陷以及微结构在外场作用下发生变化的特点,建立起一个细观统计力学模型,考虑到缺陷和酶极化转动之间的相互影响,利用细观力学方法－Eshelby等效夹杂法和Mori-Tanaka的平均理论,具体分析了所含缺陷以及外场对铁电材料有效电弹性能和模量的影响。针对BaTiO3铁电陶瓷的有效电弹性能与常数的预报结果表明了缺陷的存在将增强材料的压电性能。     

铁电陶瓷PZT53多轴力电耦合下的屈服行为

研究了不同拉-扭与压-扭比例载荷和电场耦合作用下铁电陶瓷PZT53的屈服行为。通过自己设计的力电加载装置,结合材料试验机和电压放大器对PZT53在多轴力电耦合载荷作用下应力-应变行为进行测量,结合陈和卢的理论,得出了极化和未极化的PZT53陶瓷在多轴力载荷下的初始屈服面和破坏面。结果表明初始屈服面类似于Drucker-Prager屈服面,本文提出了一个屈服准则,较好的符合实验结果。实验发现PZT53陶瓷破坏行为符合最大拉应力破坏准则。对于极化的PZT53陶瓷,还研究了偏置电场对应力-应变行为的影响,结果表明偏置电场大于0．6kV／mm时,PZT53陶瓷的屈服现象消失。本文工作为发展铁电陶瓷PZT53的多轴力电耦合唯象本构模型提供了实验基础。     

铁电陶瓷宏细观本构模型

在居里温度以下，铁电陶瓷呈铁电相，具有许多取向不同的铁电畴，取向分布函数描述了铁电畴的取向分布情况文中推广了经典的内变量理论，采用宏细观相结合的方法，建立了铁电陶瓷的宏观行为与细观结构的关系，给出了铁电陶瓷的屈服条件，屈服面的演化规律及取向分布函数的演化规律计算得出了与实验比较符合的电位移－电场关系曲线及应变电场－蝶形关系曲线     

锆基非晶合金的动态弛豫机制和高温流变行为

非晶合金的动态弛豫机制对于理解其塑性变形, 玻璃转变行为, 扩散机制以及晶化行为都至关重要. 非晶合金的力学性能与动态弛豫机制的本征关联是该领域当前重要科学问题之一. 本文借助于动态力学分析(DMA), 探索了Zramorphous alloy,dynamic mechanical analysis,high temperature deformation,structural relaxation,quasi-points defects,1)国家自然科学基金(51971178);陕西省自然科学基金(2019JM-344);中央高校基本科研业务费专项资金(3102019ghxm007);中央高校基本科研业务费专项资金(3102017JC01003)2020-01-062020-04-10非晶合金的动态弛豫机制对于理解其塑性变形, 玻璃转变行为, 扩散机制以及晶化行为都至关重要. 非晶合金的力学性能与动态弛豫机制的本征关联是该领域当前重要科学问题之一. 本文借助于动态力学分析(DMA), 探索了Zr$_{50}$Cu$_{40}$Al$_{10}$块体非晶合金从室温到过冷液相区宽温度范围内的动态力学行为. 通过单轴拉伸实验, 研究了玻璃转变温度附近的高温流变行为. 基于准点缺陷理论(quasi-point defects theory), 对两种力学行为的适用性以及宏观力学行为变化过程中微观结构的演化规律进行描述. 研究结果表明, 准点缺陷理论可以很好地描述非晶合金损耗模量$\alpha$弛豫的主曲线. 基于非晶合金的内耗行为, 玻璃转变温度以下原子运动的激活能$U_\beta$为0.63 eV. 与准点缺陷浓度对应的关联因子$\chi $在玻璃转变温度以下约为0.38,而在玻璃转变温度以上则线性增大. Zr$_{50}$Cu$_{40}$Al$_{10}$块体非晶合金在玻璃转变温度附近, 随温度和应变速率的不同而在拉伸实验中显示出均匀的或不均匀的流变行为. 非晶合金的高温流变行为不仅可以通过扩展指数函数和自由体积理论来描述, 还可以通过基于微剪切畴(shear micro-domains, SMDs)的准点缺陷理论来描述.     

应力作用下NiTi形状记忆合金微结构演化的相场模拟及其本征应变率敏感性

基于Ginzburg-Landau动力学控制方程建立了NiTi形状记忆合金非等温相场模型,实现了对NiTi合金内应力诱导马氏体相变的数值模拟。同时将晶界能密度引入系统局部自由能密度,从而考虑多晶系统中晶界的重要作用。数值计算了单晶和多晶NiTi形状记忆合金在单轴机械载荷作用下微结构的动态演化过程和宏观力学行为,并重点研究了晶粒尺寸为60 nm的NiTi纳米多晶在低应变率下（0.0005～15 s?1）力学行为的本征应变率敏感性。研究结果表明,单晶NiTi合金系统高温拉伸-卸载过程中马氏体相变均匀发生,未形成奥氏体-马氏体界面。而纳米多晶系统在加载阶段出现了马氏体带的形成-扩展现象,在卸载阶段出现了马氏体带的收缩-消失现象。相同外载作用过程中,NiTi单晶系统的宏观应力-应变曲线具有更大的滞回环面积,拥有更优的超弹性变形能力。计算结果显示,在中低应变率下纳米晶NiTi形状记忆合金应力-应变关系表现出较明显的应变率相关性,应变率升高导致材料相变应力提升。这一应变率相关性主要源于相场模型中外加载荷速率与马氏体空间演化速度的相互竞争关系。     

超弹性镍钛形状记忆合金单轴相变棘轮行为的宏观唯象本构模型

超弹性镍钛形状记忆合金因其良好的力学性能以及独特的超弹性和形状记忆效应已广泛应用于土木工程、航空航天和生物医疗等多个领域,在实际服役环境中超弹性镍钛合金元件不可避免地会承受不同应力水平的循环载荷作用,亟待建立描述相变棘轮行为(即峰值应变和谷值应变随着正相变和逆相变循环的进行不断累积)的循环本构模型.为此,基于已有的超弹性镍钛形状记忆合金在不同峰值应力下的单轴相变棘轮行为实验研究结果,在广义黏塑性框架下,对Graesser等提出的通过背应力非线性演化方程反映超弹性镍钛形状记忆合金超弹性行为的一维宏观唯像本构模型进行了拓展,考虑了正相变和逆相变过程中特征变量的差异及其随循环的演化,以非弹性应变的累积量为内变量引入了正相变开始应力、逆相变开始应力、相变应变和残余应变的演化方程,同时通过峰值应力与正相变完成应力的比值来确定演化方程中的相关系数,建立了描述超弹性镍钛合金单轴相变棘轮行为的本构模型.将模拟结果与对应的实验结果进行对比发现,建立的宏观唯像本构模型能够合理地描述超弹性镍钛形状记忆合金的单轴相变棘轮行为及其峰值应力依赖性,模型的预测结果和实验结果吻合得很好.     

单晶铁电体的宏细观本构关系描述

以高技术电子材料－铁电单晶体为研究对象，在对铁电体中电畸内的细观力学耦合场分析的基础上，采用Ｍｏｒｉ－Ｔａｎａｋａ方法以自洽的方式导出了材料构元的Ｈｅｌｍｈｏｌｔｚ自由能及Ｇｉｂｂｓ自由能函数的解析表达式。并分析在广义应力空间和广义应变空间中，按Ｈｉｌｌ－Ｒｉｃｅ内变量本构理论框架，导出了铁电体畸变屈服面方程，增量型本构关系及内变量的演化方程。文末给出了对ＢａＴｉＯ３单晶材料力电行为的一维数值模拟     

不同晶向金属纳米线拉伸力学性能分子动力学研究

在经典等温分子动力学框架下,采用位移加载方式,准静态条件下数值模拟常温条件下金属纳米线的单向拉伸,研究了面心立方晶格（FCC）单晶金属纳米线的弹塑性力学性能。研究发现 <100>,<110>,<111>三个不同晶向纳米线拉伸时呈现不同的拉伸变形力学性能。其中<111>晶向拉伸有最高的屈服强度,<110>晶向屈服屈服最小,特别的是<100>晶向拉伸时屈服应变最大。由于不同的晶向对应纳米线的不同表面,三个晶向的纳米线拉伸呈现不同的应力应变关系曲线,变形过程中的局部结构具有不同的演化方式。分析了纳米单晶铜线的三个晶向拉伸表现不同的等效弹性刚度和屈服强度,讨论了相关的局部位错结构演化过程和与位错发射分解剪应力相关的纳米线塑性变形机理。     

单晶铁电畴反转的简化模型

建立具有钙钛矿结构铁电材料的基本电畴结构类型及电畴反转系的表示方法;将电畴反转类似为晶体塑性理论的位错运动,采用内时理论的类似方法,提出一个较简便的电畴体积分数的演化方程,能综合考虑到反转驱动力、180和90反转的不同形式、电畴体积分数及反转的变形历史等对反转的影响.对不同外加力电载荷条件下单晶材料的响应进行了模拟计算,能较好反映铁电材料的电位移与电场强度、应变与电场强度、应力与应变、应力与电位移等的非线性力电耦合关系.     

铁电陶瓷微观电畴演化的成核率模型

大量的实验已经证实电畴翻转是铁电材料非线性和迟滞性本构曲线的根本原因.根据这些描述电畴运动的物理实验结果,提出了成核率模型来模拟铁电材料的非线性本构行为.进一步由模型建立了基于微观电畴运动的电畴翻转体积分数演化方程.应用该模型得到的理论计算结果与实验数据的比较表明,模型能够描述铁电材料的非线性本构行为.同时模型所揭示的微观电畴成核的演化行为可进一步的指导宏观唯象模型的建立与改进.     

铁电电容系统非线性电滞参数模型研究

为解决铁电电滞模型中特性参数确定困难的问题,改善模型在工程应用中受限现状,本文利用遗传算法提出一种实用的铁电模型特性参数识别方法,可根据随机试验数据完成特性参数的提取,继而重构铁电模型以模拟各种铁电电容系统的非线性电滞行为．以上方法不但可以预测各种电场条件下的电极化响应,还可预测反映系统特性的理想饱和极化响应．最后,为验证所提方法的有效性,本文进行了仿真计算验证,其结果表明,基于优化参数的电滞模型能够很好地与试验数据吻合,具有较好的精确性和鲁棒性,为铁电系统在实际工程的应用提供有效参考．     

2.5维自愈合C/SiC复合材料的压缩力学行为

试验研究了2.5维自愈合C/SiC复合材料的压缩力学行为,根据材料的细观结构特点,建立了压缩载荷下的损伤力学模型,得到了经纬向压缩的非线性应力应变关系,预测结果与试验值吻合较好。结果表明,经向和纬向的力学行为不同,纬向的压应力逐渐增大时,切线模量逐渐增大,压缩强度为270.05MPa,而经向压应力逐渐增大时,层间损伤逐渐发生,经纱承受的弯矩越来越大,切线模量逐渐降低,破坏强度为128.66MPa。     

铁电材料的疲劳失效行为

在航空航天、核能发电等重大装备技术领域, 作为高温传感/驱动/能量收集器件的敏感材料——铋层状结构铁电(BLSF)陶瓷在复杂载荷环境下的疲劳失效问题严重限制着器件寿命和可靠性的提高. 本文以BLSF陶瓷的应用需求为背景, 围绕铁电材料的疲劳裂纹扩展与电畴极化翻转及其相互作用机制等关键问题, 综述了铁电材料在热、力、电三种载荷及其耦合作用下疲劳失效行为的研究现状, 并根据当前铁电材料的一些新发展、新应用对其未来研究方向进行了展望, 旨在为高性能、长寿命铁电/压电器件设计提供参考.      

铁电陶瓷宏观单轴力电行为的双面模型

铁电陶瓷以其优越的力电耦合性作为新型的智能材料使用. 提出基于弹塑性双面理论的宏观铁电本构模型. 根据铁电陶瓷内部电畴在外电场和机械场作用下的微观运动，在宏观上除引入材料的畴变面外，还首次引入饱和面，并考虑以畴变面与饱和面之间的广义距离来表征铁电陶瓷的非线性行为. 数值计算结果与实验数据的比较表明所提出的初步理论可适当地反映力电加载下铁电陶瓷的宏观非线性行为.     

一种描述形状记忆合金拟弹性变形行为的本构关系

本文给出一种描述形状记忆合金拟弹性变形现象的本构关系,可用于多晶材料在一般应力状态下及单晶材料在单轴应力下的变形情况。该本构关系采用弹性应变与相变应变迭加形式,物理意义明显,形式简洁。对 Cu-Zn-Sn 合金及 Ti-Ni 合金材料的变形行为进行了模拟计算,结果与实验值有较好的吻合。     

基于分子动力学模拟的单晶硅冲击压缩相变研究

晶体硅具有复杂的相变机制,在相图研究中受到广泛关注,其在动载荷下的变形机制是当前研究热点。为揭示晶体硅在强动加载下的变形和相变行为特征,基于分子动力学方法,采用平板冲击加载方式,模拟研究了单晶硅在初始环境温度为300 K时分别沿[001]、[110]和[111]晶向的不同强度下的冲击压缩行为,冲击粒子速度为0.3～3.2 km/s。研究发现,随着冲击粒子速度的增加,单晶硅剪切应力在逐渐增加后由于结构相变发生急剧下降,相变阈值和相变机制均呈现各向异性。其中,沿[001]晶向冲击压缩下观察到多种固-固相变以及固-液相变,并观察到与最新文献的实验高度一致的固-液共存现象。研究结果可为动加载下晶体硅的相变研究提供纳米尺度的结果支撑。