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。     

磁电复合材料中拓扑磁结构的力学调控

磁性斯格明子是在一些铁磁材料中存在的一种重要拓扑磁结构,由于其具有独特的磁-电-力-热多场耦合特性,在未来新型自旋电子器件中有着广泛的应用前景。然而,磁性斯格明子一般需要在外加磁场下才能稳定存在,极大地限制了其在自旋电子器件中的实际应用。本文基于实空间下磁电材料的相场模拟,发现铁电和铁磁复合薄膜中铁电斯格明子可以通过界面变形来稳定铁磁斯格明子。由于力电耦合效应,铁电层中铁电斯格明子的非均匀分布极化在界面产生周期性的非均匀界面变形。界面变形通过力磁耦合效应,使铁磁层中的磁性斯格明子在没有外加磁场的条件下能够稳定存在。本文的研究结果表明,基于磁电复合材料中的力-电-磁耦合效应,通过优化设计复合材料中不同组元的结构,可以实现拓扑磁结构的力学调控,从而为设计基于拓扑磁结构的新型自旋电子器件提供了新思路。     

磁电复合材料中拓扑磁结构的力学调控

磁性斯格明子是在一些铁磁材料中存在的一种重要拓扑磁结构,由于其具有独特的磁-电-力-热多场耦合特性,在未来新型自旋电子器件中有着广泛的应用前景。然而,磁性斯格明子一般需要在外加磁场下才能稳定存在,极大地限制了其在自旋电子器件中的实际应用。本文基于实空间下磁电材料的相场模拟,发现铁电和铁磁复合薄膜中铁电斯格明子可以通过界面变形来稳定铁磁斯格明子。由于力电耦合效应,铁电层中铁电斯格明子的非均匀分布极化在界面产生周期性的非均匀界面变形。界面变形通过力磁耦合效应,使铁磁层中的磁性斯格明子在没有外加磁场的条件下能够稳定存在。本文的研究结果表明,基于磁电复合材料中的力-电-磁耦合效应,通过优化设计复合材料中不同组元的结构,可以实现拓扑磁结构的力学调控,从而为设计基于拓扑磁结构的新型自旋电子器件提供了新思路。     

循环电载下热效应对铁电材料畴变的影响

铁电材料在力、电载荷作用尤其是循环载荷作用下有明显的热效应.热效应会在铁电材料中引起应力场和电场.另外,在外载作用下铁电材料发生约束畴变时也会产生附加的应力场,这些附加的应力场和电场都会对铁电材料的畴变产生影响.而且在循环载荷作用的情况下,这种影响会逐渐累积.但在以往的研究中,很少涉及这种影响.该文就循环电载下热效应引起的力、电场和约束畴变时产生的附加应力场对铁电材料畴变的影响进行了初步研究.     

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.      

电致失效力学

电致失效力学研究单调或交变电场载荷下由应力引起的失效行为,它包含了电致断裂、电致疲劳、电致迁移与电致损伤等新研究课题．本文概述了电致失效力学的领域与课题,并深入讨论了电致应变诱导断裂疲劳的机理及电迁移损伤的力电耦合过程．研究结果表明,电致失效力学可提供铁电陶瓷致动器和集成电路的若干关键设计参数．对铁电陶瓷多层共烧致动器,该分析提供其层厚、外加电场强度和交变电场循环周数．对集成电路内导线,该分析提供其允许电流密度和临界线长．      

铁电薄膜在红外辐射作用下的动力响应

本文研究了红外探测器中红外焦平面列阵的象元———铁电薄膜微桥在红外辐射作用下的输出信号。用层合板壳作为微桥结构的力学模型,中间一层为压电材料,上下两层为金属材料电极。采用了力-电-热耦合的控制方程和变分原理,考虑了铁电薄膜的惯性力,推导出了基于Mindlin假设的压电材料层合板有限元公式。以红外探测器在夜间从飞机上探测地面的坦克为例,用有限单元法模拟了铁电薄膜微桥在红外辐射作用下的力、热、电输出信号,并对结果作了分析比较。     

电磁功能材料的多场耦合实验研究进展

将对电磁功能材料多物理场耦合性能检测技术和设备做一综述介绍,介绍如何在多物理场耦合条件下测试电磁滞回线、蝶形曲线、电磁致伸缩、应力应变曲线和磁电效应等物理力学性能,并介绍电磁功能材料在多物理耦合场作用下的新的实验现象,包括铁电材料在多轴电场和双轴力载荷作用下的电滞回线、裂纹尖端的畴变规律、磁致伪弹性、磁致伸缩的"回落"等现象.这对于理解电磁功能材料和结构在耦合场下的变形与断裂机制有重要的意义.     

铁电薄膜在红外辐射作用下的响应

研究了红外探测器中红外焦平面列阵的象元———铁电薄膜微桥在红外辐射作用下的输出信号。用层合板壳作为微桥结构的力学模型,中间一层为压电材料,上下两层为金属材料电极。采用了力-热-电耦合的控制方程和变分原理,推导出了基于Mindlin假设的压电材料层合板有限元公式。以红外探测器在夜间从飞机上探测地面的坦克为例,用有限单元法模拟了铁电薄膜微桥在红外辐射作用下的力、热、电输出信号,并对结果作了分析比较。     

铁电材料的本构关系及相关问题研究进展

铁电材料以其力电耦合性能而在传感器、智能材料与结构等诸多领域获得广泛地应用．铁电材料的本构关系也因此成为研究热点．本文对铁电材料的本构关系以及与之相关的细观力学研究方法、宏观唯象研究方法、宏细观相结合的研究方法等问题的国内外研究进展作了一简要的评述．      

Domain switching and non-linear coupling of ferroelectric composites

One of the most notable characteristics of ferroelectric materials is that they could undergo spontaneous polarization and spontaneous strain changes by applied fields. Reorientation of the spontaneous polarization and spontaneous polarization strain of ferroelectric inclusions in ferroelectric composites can change microstructures and affect effective electroelastic properties of ferroelectric composites. Based on orientation distribution function and its evolution as well as switching criterion, non-linear electromechanical coupling behaviour of ferroelectric composites is studied by application of micromechanics. A constitutive model of ferroelectric composites is developed. Comparison between analytical and experimental results shows that the model presented can describe many non-linear electromechanical coupling problems of ferroelectric composites such as polarization or depolarization, etc.     

Tuning of non-uniform switch toughening in ferroelectric composites by an electric field

This paper deals with a mode III interfacial crack subject to anti-plane stress and in-plane electric fields. The analysis concentrates on the tuning of fracture toughness from non-uniform ferroelectric-ferroelastic domain switch-ing by an electric field. The electric loading changes the size of the asymmetric switching zone. Employing the weight function method, we obtain the electrically-dependent switch toughening for stationary and quasi-static growing interfacial cracks, respectively. Multi-domain solutions are derived for non-poled and fully-poled ferroelectric composites. Numer-ical results are presented on the electric field tuning of the critical applied stress intensity factor. The research provides ways to optimize fracture properties of ferroelectric compos-ites by altering the electric field.     

Effect of geometry upon the performance of a thin film ferroelectric capacitor

The finite element method is used to investigate the performance of a ferroelectric random access memory as a function of its geometry. Performance is characterised by the charge versus electric field relation, and the sensitivity of performance to geometry is explored. The primary geometric variables are the dimensions of a prismatic two-dimensional (2D) island of ferroelectric material, and the edge inclination angle caused by the etching process along the sides of the island. The performance of the two-dimensional ferroelectric device is compared to those of an unsupported ferroelectric thin film and of a ferroelectric film bonded to a substrate.     

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．     

Micromechanics of ferroelectric polymer-based electrostrictive composites

Electrostriction refers to the strain induced in a dielectric by electric polarization, which is usually very small for practical application. In this paper, we present a micromechanical analysis on the effective electrostriction of a ferroelectric polyvinylidene fluoride trifluoroethylene [P(VDF-TrFE)] polymer-based composite, where the exact connections between the effective electrostrictive coefficients and effective elastic moduli are established, and numerical algorithm for the prediction of the effective electrostrictive coefficients of the composite in terms of its microstructural information is developed. From our calculations, enhanced electrostriction in the composite has been demonstrated, and optimal microstructure for electrostriction enhancement has been identified. Our analysis provides a mechanism for the electrostriction enhancement, where the electrostrictive strain several times higher than that of polymer matrix can be obtained, if the microstructure of the composites can be carefully tailored.     

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。     

The influence of mechanical constraint upon the switching of a ferroelectric memory capacitor

The role of mechanical constraint upon the switching response of a ferroelectric thin film memory capacitor is explored. The memory capacitor is represented by a two dimensional ferroelectric island whose non-linear behaviour is modelled by a crystal plasticity constitutive law within the finite element method. The switching response of the device, in terms of remnant charge storage, is determined as a function of geometry and constraint. Various types of constraint on the ferroelectric capacitor are considered, including the presence of a silicon dioxide passivation layer, a silicon substrate and metallic electrodes. The effect of the relative resistance to 90 degree switching and 180 degree switching is also explored in a tetragonal ferroelectric device. Throughout the study, the finite element calculations are compared with the behaviour of a material element subjected to various degrees of mechanical constraint.     

铁电单晶Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.32PbTiO3的实验及本构模型研究

对压力作用下沿[001]晶向极化的Pb(Mg弛豫型铁电单晶;极化旋转(相变);黏塑性模型;本构;细观力学国家自然科学基金，教育部全国优秀博士学位论文作者专项基金2006-11-06对压力作用下沿[001]晶向极化的Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.32PbTiO3(PMN0.32PT)弛豫型铁电单晶的应力应变行为进行了实验研究,实验结果表明铁电单晶〈001〉晶向的应力应变行为和铁电多晶有本质的不同,是传统的电畴翻转机理所难以解释的,所提出的极化旋转(相变)模型合理地解释了实验中观察到的现象;基于提出的极化旋转(相变)模型,采用细观力学方法建立了铁电单晶的细观本构模型.在模型中采用黏塑性公式描述铁电单晶可能的8个相变系统的相变行为.为了验证模型的可靠性,用该模型模拟了铁电单晶〈001〉晶向的应力应变实验曲线.计算表明,该模型能较好地模拟铁电单晶〈001〉晶向的相变行为.     

铁电陶瓷电致疲劳失效的研究进展

铁电陶瓷是具备力电转换功能的典型高技术材料.本文概述铁电陶瓷电致疲劳失效的研究进展.首先介绍电致疲劳的定义和特点,然后讨论电致疲劳失效在不同尺度下的表现行为,包括宏观尺度下裂纹的疲劳扩展;细观尺度下裂纹的萌生;微观尺度下点缺陷在循环电场下的积聚.随即阐述了铁电陶瓷在循环电场下缺陷汇聚的理论分析,运用微结构演化方法计算了单个孔洞随畴界的移动距离,推导了循环电场下铁电陶瓷内点缺陷浓度的演化方程,给出了点缺陷浓度与其汇聚程度之间的定量关系,从而提出了贯通不同尺度的铁电陶瓷电致疲劳失效机理.