鐵電材料非線性力電耦合關(guān)系研究.pdf

1、二十一世紀是新技術(shù)和新材料飛速發(fā)展的世紀。隨著計算機技術(shù)、通訊技術(shù)、生物技術(shù)以及微電子技術(shù)等的日益發(fā)展，人們對組成各個系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)的基本部分的性能提出了新的要求，不僅要求材料可靠與安全，更希望材料能根據(jù)其周圍環(huán)境的變化來調(diào)整自身的某些參數(shù)以達到最優(yōu)化的要求。關(guān)于“智能材料與結(jié)構(gòu)”的研究正順應(yīng)這一趨勢而蓬勃發(fā)展起來。鐵電材料不僅是重要的電子功能材料，而且被認為是最有應(yīng)用前景的智能基礎(chǔ)材料。人們雖然對鐵電現(xiàn)象很早就有了認識，但對其基本性能的認

2、識還遠未完善，對材料的微結(jié)構(gòu)、疲勞、損傷、斷裂、破壞失效的機理也不十分明了，迫切希望進行更深入、更全面的了解。本論文就是針對鐵電材料的非線性力電耦合性能進行研究與分析，以期能對其本構(gòu)關(guān)系作出簡單明確的描述，為鐵電元器件的材料設(shè)計、結(jié)構(gòu)分析及壽命估計等提供依據(jù)。 本文主要進行了以下研究工作： ①提出了新的鐵電材料力電耦合模型，以描述復(fù)雜的力電耦合效應(yīng)。其工作包括：在分析鐵電材料電疇翻轉(zhuǎn)基本特征的基礎(chǔ)上，引入電疇的“連續(xù)翻轉(zhuǎn)

3、”模型，克服了“完全反轉(zhuǎn)”假設(shè)對鐵電特性描述的局限性，使電疇翻轉(zhuǎn)模型的物理意義更為明確。 建立了以電疇翻轉(zhuǎn)時的體積分數(shù)增量為中心的，基于鐵電疇壁運動特性的剩余應(yīng)變及電位移的增量形式的演化方程，在其中包含有材料參數(shù)、疇壁運動、電疇形式、電疇體積分數(shù)及基體與夾雜、夾雜與夾雜等相互間能量作用等影響因素。 依據(jù)晶體塑性理論，將鐵電材料中的電疇翻轉(zhuǎn)類比于晶體位錯滑移面上的滑移系，定義鐵電材料中相應(yīng)的電疇反轉(zhuǎn)系；采用電疇的體積分數(shù)表

4、述電疇翻轉(zhuǎn)的變化量，得到了電疇翻轉(zhuǎn)的飽和特性的簡單描述。 ②初步提出了跨多尺度的鐵電陶瓷材料的力電耦合分析方法，得到與實驗結(jié)果相符合的鐵電陶瓷本構(gòu)行為的計算結(jié)果。主要內(nèi)容包括： 建立基于鐵電材料微結(jié)構(gòu)的夾雜單元體的均勻化方法，不但將材料的宏、細觀力電響應(yīng)關(guān)系連接起來，而且將材料細/微觀結(jié)構(gòu)的幾何及材料特性與材料的宏觀性能相統(tǒng)一，使對鐵電多晶材料的損傷、疲勞及破壞等的研究更直接有效。 通過采用基于Hill理論的擴展

5、的自洽計算方法，將其從一般多晶材料、復(fù)合材料的純力學性能描述，擴展到具有力電耦合的復(fù)雜情況，建立其整體迭代和局部迭代的計算方法，得到鐵電多晶材料的非線性力電耦合關(guān)系的描述。 ③應(yīng)用提出的模型與方法，針對層狀微結(jié)構(gòu)鐵電材料的具體特點，進行了計算與分析，包括： ——建立了層狀鐵電材料的力電場邊界條件，推導(dǎo)出在外加力電場作用下的各層材料的局部力電響應(yīng)的表達關(guān)系。 ——對各層材料的體積百分比及相對彈性模量對材料整體性能的