Maxwell应力对压电材料断裂效应研究

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压电材料以其独特的机电耦合特性使其成为实现微电子机械系统功能性的重要组成部分。由于压电材料的脆性特性和生产制造过程中产生的缺陷,研究压电材料断裂问题,尤其是动态断裂问题,具有重要意义。根据电磁学理论,当含裂纹压电材料置于电场中时,电场将在其界面诱导静电面力,这种静电面力称为麦克斯韦(Maxwell)应力。Maxwell应力的出现使得裂纹边界条件变的更加复杂。当包含裂纹的压电材料受到外力和/或电载荷时,裂纹内会产生与载荷以及裂纹内介质介电常数相关的耦合电场。考虑Maxwell应力效应时,此电场将在裂纹表面产生Maxwell应力,而当裂纹为动态裂纹时,Maxwell应力还将受到裂纹速度的影响。本文针对含动态裂纹压电材料的广义平面问题进行深入研究,探索Maxwell应力对压电材料断裂的效应。主要章节内容如下:第一章概述了相关研究领域的现状及有待进一步研究的问题;第二章,假设裂纹内部的电场为常数,利用Stroh公式研究了压电材料中静态裂纹的尖端物理场,讨论了Maxwell应力的效应;第三章对无限大均匀压电材料内含有动态裂纹的广义平面问题中Maxwell应力的影响进行研究,利用Stroh公式和复势函数法,得出了包含Maxwell应力的裂纹尖端的应力场和电位移场表达式;第四章假设裂尖附近保持材料的线性机械场作用而电场为非线性,推导了裂尖的应力场和极化饱和区附近电位移表达式,探讨了Maxwell应力和裂纹速度对含有极化饱和带裂纹的扩展影响,并研究了饱和带尺寸与Maxwell应力的关系;第五章将Maxwell应力引入不同压电材料间移动界面裂纹问题中,求解出了带有奇异性振荡因子的动态应力强度因子,并将此结果退化为多种裂纹模型;第六章设计并完成了电载荷下压电薄膜与柔性基体间弱界面脱粘实验,并将黏附产生的空隙简化成线弹性裂纹模型,对脱粘问题进行了预测;最后,第七章对本文做了总结并对未来的工作做了展望。主要创新性工作包括:研究动态裂纹内部介质产生的Maxwell应力与压电材料外围介质产生的Maxwell(应力)对材料破坏的叠加效应,解释了电场对断裂行为的非线性效应;将Maxwell应力的影响引入到带极化饱和带的移动裂纹模型中,揭示了Maxwell应力对极化饱和带的影响;设计并完成压电薄膜与柔性基体间黏附形成的弱界面在电载荷下脱粘的实验,并用线弹性裂纹模型对压电薄膜与柔性基底间弱界面在纯电载荷下脱粘问题进行了研究。
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