压电材料中电致裂纹发射位错机理及其效应研究

The application of piezoelectric materials is severely limited by their poor toughness. One of the root causes of poor toughness of piezoelectric materials is that the mechanical load for crack propagation is lower than the mechanical load for dislocation emission. So cracks within piezoelectric materials can not blunt themselves and release the stress concentration through emit dislocations in ordinary circumstances. In this research project, by using of the electro-mechanical coupling characteristics of piezoelectric materials, the combination of theoretical analysis and experimental test is used to investigate the mechanism and characteristics of electrical loads to promote dislocation emission. By studying the forces acting on a dislocation in piezoelectric materials, building the model and criterion of cracks emit dislocations in piezoelectric materials, discussing the influence of electrical penetrability、electroelastic constants、Electro-mechanical load configuration、distribution of residual dislocation、dielectric constant and electric field within the crack on dislocation emission and crack propagation. Exploring the mechanism of promoting dislocation emission in piezoelectric material and provide scientific basis for piezoelectric material toughening design and fracture analysis.

压电材料较差的韧性极大地限制了其应用范围。压电材料韧性差的根源之一在于其内部裂纹扩展所需的机械载荷低于位错发射所需的机械载荷，这导致一般情况下压电材料中的裂纹难以通过发射位错导致自身钝化并缓解裂尖的应力集中。本项目采用理论分析与实验观察测试相结合的方式，利用压电材料的力-电耦合特性，研究电载荷促使位错发射的机理和特征。通过研究压电材料中作用在位错上的各种力，建立压电材料中裂纹发射位错的模型和判据，讨论裂纹电可穿透性和几何形状、材料电弹常数、力电载荷配置、剩余位错在裂纹表面的分布及裂纹内部介电常数和电场等因素对位错发射和裂纹扩展的促进或抑制作用。探索促使压电材料中裂纹在扩展前发射位错并松弛应力的机理，为压电材料的增韧设计及断裂失效研究提供科学依据。

压电材料较差的韧性极大地限制了其应用范围。压电材料韧性差的根源之一在于其内部裂纹扩展所需的机械载荷低于位错发射所需的机械载荷，这导致一般情况下压电材料中的裂纹难以通过发射位错导致自身钝化并缓解裂尖的应力集中。本项目研究了电载荷对位错的影响，讨论了促使位错发射的机理和特征。主要结果包括：1. 从压电材料的内能出发重新推导作用在压电位错上的力的表达式，即压电材料中的Peach-Koehler公式，并比较了与原先位错力公式的区别。2. 修正了位错发射模型，阐明了位错总是成对产生，因此一个位错从裂尖发射后必定另外一个符号相反的位错将残留在裂纹表面并改变裂纹附近的应力场。 通过傅里叶展开方法得到了残余位错在裂纹表面任意分布时产生的应力场、电场的级数形式解。3.讨论了裂纹面电可穿透性和几何形状、材料电弹常数、力电载荷配置、剩余位错在裂纹表面的分布及裂纹内部介电常数和电场等因素对位错发射和裂纹扩展的促进或抑制作用。结果表明，残余位错在裂纹内产生负电场，并对裂纹具有屏蔽效应（降低裂纹尖端的应力强度因子）。位错发射所需的临界应力受到残余位错分布的影响。残余位错集中于裂纹尖端时裂纹发射位错最困难. 被发射位错与电位移载荷符号相同时, 位移载荷促进位错发射，反之亦然。裂纹内介电常数的增加可有效促进位错发射. 4. 研究了裂纹沿界面扩展与穿过界面扩展两种模式的竞争关系，结果表明裂纹沿界面扩展以及增韧相介电常数的增加均使裂纹穿过增韧相扩展变得困难，而裂纹穿过增韧相扩展即可能促进也可能阻碍裂纹沿界面扩展。5. 研究了增韧相内的裂纹问题，结果表明，增韧相不仅增加位错对裂纹的屏蔽效应，其本身也对裂纹产生屏蔽效应。..这些研究结论增加了研究者对压电材料断裂问题的理解，为压电材料的增韧设计及断裂失效研究提供了科学依据，研究过程中获得的系列解析解答以及解析求解方法也为压电材料断裂研究提供了有力工具。