铁电材料断裂的相场模拟和压电模式原子力显微镜表征

裂纹表面复杂的电边界条件和裂纹尖端的电畴翻转，使铁电材料的断裂分析非常复杂。目前，铁电材料断裂的非线性分析大多建立在一阶近似的基础上，忽略了电畴翻转对于裂纹尖端应力场和电场分布的影响，不能准确说明铁电材料的断裂行为。为准确分析铁电材料的断裂行为，我们急需对裂纹尖端的扩展及其所引起的电畴翻转进行细致而精确的分析模拟和实验表征。因此本项目的研究目标，在于发展一套新的相场方法，对铁电材料的裂纹扩展及裂纹尖端的电畴翻转进行准确的同步分析和模拟。同时，我们也将发展一套新的实验方法，运用压电模式的原子力显微镜，对裂纹尖端的扩展及其表面电势和电畴演化进行原位观测。通过理论分析和实验表征的紧密结合，我们将研究一系列铁电单晶和陶瓷在力电热耦合载荷下的断裂行为，阐述裂纹尖端扩展和电畴翻转的相互作用，说明外电场对裂纹扩展的影响，从而极大加深对铁电材料断裂行为的理解。

铁电材料的断裂行为对基于铁电材料的传感器、驱动器、电容器及存储元件的可靠性和失效具有重大的影响。然而裂纹表面复杂的电边界条件和裂纹尖端的畴翻转，使铁电材料的断裂分析非常复杂。目前铁电材料断裂的非线性分析大多建立在一阶近似的基础上，忽略了电畴翻转对于裂纹尖端应力场和电场分布的影响，不能准确说明铁电材料的断裂行为。为此，我们发展了一套相场方法，对铁电材料裂纹扩展及裂纹尖端的电畴翻转进行准确的同步模拟和分析。同时，我们也发展了一套新的实验方法，运用多功能模块的原子力显微镜，对铁电材料的电畴结构和表面裂纹进行原位观测和表征。运用这些理论工具和实验手段，我们分析模拟了铁电单晶中裂纹尖端的电畴翻转及电场诱导下裂纹扩展，模拟并实验验证了在压电模式原子力显微镜力(PFM)下电场诱导的铁酸铋电畴翻转及相变，表征了一系列铁电纳米纤维的精细电畴结构和电场作用下的局部电畴翻转，测试了复合纳米纤维的磁电耦合性能。相关研究工作，已在Journal of the Mechanics and Physics of Solids、Mechanics of Materials、Nano Letters、Nanoscale、Applied Physics Letters、Journal of Applied Physics等期刊发表SCI论文15篇。