氢和电场对铁电陶瓷压痕裂纹的影响

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铁电陶瓷的服役可靠性一直是困扰其广泛应用的因素之一,由于其极高的脆性,在应力、载荷和环境介质的作用下很容易发生失效,导致整个元器件的破坏,因此,铁电陶瓷的服役可靠性研究一直是一个热点。压痕裂纹是研究脆性材料断裂性能常用的方法之一,广泛用于铁电陶瓷断裂和环境断裂的研究,但是,由于压痕裂纹形态和应力场分布的复杂性,由此获得的实验结果有很大的分散性,甚至相互矛盾。本论文在详细分析压痕裂纹及其应力场分布的基础上,利用压痕裂纹研究了电场和氢对PZT-5和(1-x)(Na<,1/2>Bi<,1/2>) TiO<,3>-x(K<,1/2>Bi<,1/2>)TiO<,3>铁电陶瓷断裂l生能的影响。在已有工作的基础上,本文重点研究了加载和施加电场顺序、极化状态对PZT-5铁电陶瓷断裂性能的影响,以及氢对(1-x)(Na<,1/2>Bi<,1/2>)TiO<,3>-x(K<,1/2>Bi<,1/2>)TiO<,3>无铅铁电陶瓷断裂性能的影响,获得的主要结果有: (1)加载和施加电场顺序,以及极化条件对PZT-5压痕裂纹长度和表观断裂韧性与电场的依赖关系无明显的影响,但是,铁电材料的状态对其依赖关系有明显的影响。例如,对于本实验所使用的PZT-5铁电材料,沿宽度极化试样的压痕裂纹长度随正电场的增加而增加,表观断裂韧性下降,但是,负电场对其没有明显的影响,而沿厚度方向极化的样品,其裂纹长度和表观断裂韧性随电场绝对值得增加而增加或下降。 (2)无论正电场或负电场,无论材料状态如何,PZT-5铁电陶瓷的表观断裂韧性都可以用K<,IC>(E)=K<,IC>-αE,进行拟合。 (3)(1-x)(Na<,1/2>Bi<,1/2>)TiO<,3>-x(K<,1/2>Bi<,1/2>)TiO<,3>无铅铁电陶瓷压痕裂纹会随着试样中氢浓度和压痕作用时间的增加而增长,断裂韧性下降,说明氢可以降低无铅铁电陶瓷的断裂韧性,在压痕裂纹残余应力和氢的协同作用下会发生氢致滞后开裂。含氢试样的断裂强度、氢致滞后断裂的门槛应力强度因子与氢浓度满足线性关系,与压痕作用时间的对数满足线性关系。
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