压电半导体的断裂失效

Piezoelectric semiconductor has both the piezoelectric and semiconductor properties, so this kind of materials has wide applications in engineering. In this project, fracture and failure of piezoelectric semiconductor will be studied by theoretical, numerical and experimental approaches. The fundamental solutions due to the extended displacement discontinuities will be derived. The extended displacement discontinuities include the displacement discontinuities, the electric potential discontinuity, the carrier density discontinuity and the temperature discontinuity. Based on different fracture models with different boundary conditions, the extended displacement discontinuities boundary integral equations will be established. The “piezoelectricity-conductor” iteration method will be proposed to study and analyze the fracture of piezoelectric semiconductors. A boundary element method will be developed to calculate the electric and temperature fields in the thin crack cavity. The nonlinear fracture models and fracture criteria will be established to explain the fracture behavior of the piezoelectric semiconductors. Experimental method will be proposed to test fracture and failure of piezoelectric semiconductor under combined mechanical-electric loadings. This project will establish the framework of fracture for this kind of material and provide the foundation for engineering applications.

压电半导体是一种兼具压电性质的半导体材料，有着广泛的应用领域和巨大的应用前景。本项目从理论、数值和实验三方面研究压电半导体材料的断裂失效，给出以压电半导体裂纹面上的不连续位移、不连续电势、不连续载流子密度和不连续温度为基本综量的广义不连续位移基本解；研究不同边界条件下的断裂模型，建立压电半导体断裂问题的广义不连续位移边界积分方程通用理论方法；研究以压电介质的数值方法和导体的数值分析方法为基础的“压电-导体”迭代数值方法；研究真实裂纹腔这类特殊薄壁区域中的电、热场的数值分析方法，模拟裂纹腔内电、热场的贡献和影响；建立压电半导体的非线性断裂模型和断裂失效准则；研究压电半导体在力-电联合载荷作用下的断裂失效实验方案和实验方法；研究压电半导体的断裂失效行为，揭示压电半导体材料的断裂失效机理。通过本项目的研究，初步构建压电半导体断裂理论体系，为压电半导体器件的可靠性设计和评估提供理论基础。

力、电等性能直接影响着压电半导体的耐久性和可靠性，但多场耦合特性给相关研究带来很大挑战。本项目从理论、数值、实验三方面研究给出了压电半导体变形、断裂失效形式和机理，取得了以下成果：1) 基于压电半导体线性理论提出了压电-导体耦合迭代分析数值方法，基于压电半导体非线性理论提出了弹性-半导体双向耦合迭代分析数值方法，这些耦合迭代数值分析方法为压电半导体器件结构分析提供了有效的计算方法和工具；2）采用摄动理论，基于压电半导体完全耦合的非线性方程，研究了压电半导体PN结的典型特性，包括机电场、内建电势和电流-电压特性；3）考虑尺度效应和挠曲电效应，基于微分算子法，给出压电半导体纳米线在受两端轴向拉力情况下的理论解，研究了挠曲电效应和应变梯度效应对电势分布的影响；4）利用压电介质和拉普拉斯方程的格林函数，得到了含有体积分的广义不连续位移表示的超奇异边界积分方程，分析裂纹前沿各种物理场的奇异性和奇异行为，建立以裂纹面上广义不连续位移为基本未知量的强度因子表达式；5）根据Almansi’s理论与微分算子理论，运用Fourier变换和Hankel变换，得到广义不连续位移基本解，运用不连续位移方法，研究了考虑热效应的二维、三维压电半导体线性断裂问题研究；提出压电半导体子区域边界元方法，研究压电半导体非线性断裂问题；6）搭建了压电半导体实验平台，研制了压电半导体类材料力场、电流场、高压电场及其耦合加载的压电半导体实验方法、断裂实验系统，研制了压电半导体极化装置和极化系统、预制微型裂纹的实验装置及系列有效的辅助实验装置；7）测定了氮化镓与烧结银电极的接触条件，给出了电场和电流对压电半导体弯曲强度的影响，实验给出多场耦合下氮化镓压电半导体材料的断裂韧性。本项目初步建立了力电耦合载荷作用下的压电半导体断裂失效准则。