冲击加载下含孔隙PZT铁电陶瓷的动态本构响应与失效研究

PZT ferroelectrics ceramics have become an advanced functional material because of their superior electromechanical characterization.Nonetheless,dielectric or/and mechanical breakdown of PZT ceramics often happen under static/dynamic loading during the process of manufacture and application. It is urgent demand to study the dynamic mechanical constitutive behavior and failure mechanism in PZT ceraimics.In our project,the dynamic mechanical properties,crack damage evolution and failure of PZT ceramics with pore will be investigated under high strain rate uniaxial compression, dynamic three points bending and gas gun plane impact.The parameters of mechancial response and the understanding of failure mechanism of PZT ceramics under different dynamic loading will be achieved. It will be paid more efforts to explore the influence of pore on the dynamic constitutive behavior and failure of PZT ceramics and the interaction physical mechanism between pore and crack propagation.A macroscopic-microscopic dynamic constitutive model and crack damage evoltuion failure model will be proposed.Finally,we try our best to seek the effective technique to improve the ductility and impact tolerance capability of PZT ceramics. These research will provide some insight and theory foundation for the design of PZT ceramic devices with high performance and high reliability.

PZT铁电陶瓷以其优异的力电耦合效应现已成为重要的先进功能材料。在制造和使用过程中，铁电陶瓷制器件不可避免地承受各种静态/动态载荷因而有可能发生力学失效或介电击穿。弄清楚PZT铁电陶瓷动态本构响应与失效的物理力学机制是十分必要的。本项目拟在高应变率单轴压缩、动态三点弯曲以及平板撞击加载下，较系统地研究不同加载应变率和不同三轴应力状态下含孔隙PZT铁电陶瓷材料的动态本构响应、微裂纹损伤演化与失效行为，重点揭示孔隙微结构对PZT铁电陶瓷动态本构响应与失效的影响规律与物理机制，获得含孔隙PZT铁电陶瓷的宏观力学参数以及失效机理方面的深刻认识，阐明孔隙微结构与微裂纹传播之间相互作用的物理机制，构建PZT铁电陶瓷宏细观相结合的非线性动态本构关系及微裂纹型损伤演化与失效模型，探索提高PZT铁电陶瓷韧性和抗冲击性能的有效途径，从而为研制高性能、高可靠性的PZT铁电陶瓷器件提供必要的技术指导和基础理论。

本项目旨在研究极化状态、孔隙率、应变率以及应力状态对含孔隙PZT95/5铁电陶瓷在畴变、相变、力学响应与失效行为的影响规律，揭示孔隙微结构与微裂纹传播之间相互作用，探索提高PZT铁电陶瓷材料抗冲击损伤与失效的有效途径。主要研究成果归纳如下：(1)制备了四种不同孔隙率PZT95/5铁电陶瓷，开展了PZT95/5 铁电陶瓷开展了准静态单轴压缩实验研究, 实验结果显示：多孔PZT95/5铁电陶瓷表现出明显的非线性变形特征, 其机理主要归因于畴变和相变的共同作用；力学性能随着孔隙率增大而减小，微孔洞没有增加PZT95/5韧性；（2）实测的轴向应变、横向应变随着轴向应力的变化关系，讨论了极化状态和极化方向对PZT95/5铁电陶瓷的畴变与相变行为的影响，实验结果显示：单轴压缩下，未极化和Z轴极化PZT95/5铁电陶瓷都会发生畴变，而Y轴极化PZT95/5铁电陶瓷则不发生畴变；通过应变分解分析，验证了畴变与相变过程是解耦的，并界定了畴变应变和相变应变的影响范围；Y轴极化PZT95/5铁电陶瓷相变临界应力最大，Z轴极化PZT95/5铁电陶瓷的临界应力大于未极化PZT95/5铁电陶瓷的。（3）采用改进的SHPB实验技术，开展了多孔PZT95/5铁电陶瓷的动态单轴压缩实验研究，实验结果显示：多孔未极化PZT95/5铁电陶瓷的压缩强度具有显著的应变率效应，畴变临界应力和相变临界应力都随着应变率增高而增大。（4）采用三点弯曲实验，研究了孔隙率对极化PZT95/5铁电陶瓷的断裂韧性的影响，发现随着孔隙率增大断裂韧性减小，没有观察到孔隙增韧现象；采用改进传统的SHPB结合超高速相机研究了PZT95/5动态应力强度因子，发现材料断裂韧性具有较明显的应变率效应。（5）开展了一维应变冲击波加载下多孔 PZT95/5铁电陶瓷冲击响应的实验研究和数值模拟，获得了冲击加载速度和孔隙率对多孔PZT95/5铁电陶瓷自由面速度响应的影响规律，揭示了实测自由面速度剖面的典型特性与冲击载荷速度以及孔隙率之间对应关系，并通过离散元模拟手段，认识到冲击下孔洞的塌缩变形和从孔洞发射的剪切裂纹所导致的滑移变形对冲击波传播有显著影响。（6）开展了PZT95/5铁电陶瓷的电阻率和电场击穿特性的实验研究，获得了电阻率随着冲击波加载应力变化和电场击穿强度的量化数据，研究结果充分说明了电场击穿强度下降与冲击载荷下材料内部力学损伤失效