含夹杂压电材料的蠕变特性与夹杂的演化

本申请项目旨在利用能够反映界面扩散和体扩散等原子（或分子）传输过程的显微结构演化理论，建立压电材料中夹杂与基体界面层的热力学势，由此分别导出含夹杂压电材料的蠕变速率和夹杂（或孔洞）在压电体内演化的动力学控制方程；基于弥散界面理论，发展、完善相场模型的数值方法在模拟含夹杂压电材料力学行为中的应用；理论解析和数值模拟相结合，揭示在不同温度环境和力、电耦合载荷作用下，相关控制参数对含夹杂压电材料蠕变特性和夹杂（孔洞）在压电体内演化的影响机理，为压电机敏元件的力学行为设计与制备提供理论依据，具有重要的科学与经济价值。

压电陶瓷作为一种重要的力、热、电、光敏感功能材料,已经在传感器、超声换能器和微位移器等方面得到了广泛的应用。压电陶瓷材料一般具有韧性低和缺陷敏感性高的特点，常常会因制备和使用过程中不可避免的存在夹杂、孔洞和位错等各种缺陷。这些缺陷会不同程度地影响压电材料的电弹耦合性能而导致其设计功能的偏差、丧失或损伤破坏。.本研究项目是基于能够反映界面扩散和体扩散等原子传输过程的显微结构演化理论，建立压电材料中夹杂与基体界面层的热力学势，由此导出含夹杂压电材料的蠕变速率和夹杂（孔洞）在压电体内演化的动力学控制方程；发展、完善相场模型的数值方法在模拟含夹杂（孔洞）压电材料力学行为中的应用；揭示在力、电耦合载荷作用下，相关控制参数对夹含夹杂压电材料的蠕变速率和杂（孔洞）在压电体内演化的影响机理。获得的重要结果分别为：.1）揭示含夹杂压电材料中夹杂的几何形状、材料性能对含夹杂压电材料的蠕变速率和夹杂（孔洞）在压电体内迁移规律的影响。研究结果表明:刚性夹杂要比柔性夹杂迁移得快些，夹杂的压电性质和介电性质对其迁移运动的影响有一定的规律，当夹杂的压电性和介电性变化到一定值后，其影响作用就逐渐减低。.2）基于各向异性相场方法，模拟在力电耦合载荷作用下有限尺度压电薄膜中夹杂缺陷的形态演化和迁移运动规律。研究结果表明：在法向梯度应力作用下，有限尺度压电薄膜中裂纹形态的夹杂缺陷尖端出现退化现象，并逐步退化到一个稳定状态，以致该类型的夹杂缺陷并不导致有限尺度压电薄膜横向界面的穿透破坏。.3）基于热动力学势和压电理论，获得了电场、内压力和界面压力对于压电材料内球形孔洞收缩特征和历程影响规律的解析解。研究结果表明, 外加电场使得压电材料内球形孔洞收缩到一个最终的稳定尺寸变大,并使得压电材料内球形孔洞收缩速率减小。.研究结果揭示了含任意形状夹杂（孔洞）在压电体内迁移演化机理和对压电体电弹耦合性能的影响规律，为压电材料的损伤缺陷评估提供理论依据，具有重要的科学与经济价值。