基于微观组织演化的多晶铁电材料断裂行为及构型力研究

Stability and performance of ferroelectric devices or intelligent structures are severely limited by the failure of ferroelectric polycrystals. The main purpose of this project is to investigate the fracture behaviors and the configurational force of ferroelectric polycrystals based on the microstructural evolution by the nonlinear constitutive equations of ferroelectric polycrystals.First,numerical simulations of material behaviors of ferroelectric polycrystals were performed in the previous work. Based on this, the crack problems of ferroelectric polycrystals are numerically analyzed to study the influence of the microstructural crystal features (e.g., numbers, orientation, size, and shape) on the crack tip fields and the electromechanical yielding zones.Second, most of attention is paid on the influence of microstructural evolution, material inhomogeneity along the crystal boundaries, and the incompatibility with neighboring grains on fracture parameters e.g., the stress and electric intensity factors, J-integral, the energy release rates, the crack opening displacement, the maximum hoop stresses in ferroelectric polycrystals subjected to the remote combined electromechanical loading. Finally, the concept of configurational force is extended to fracture mechanics of ferroelectric polycrystals, which is able to represent the energy release rate during microstructural evolution and to provide the inner variable feature to investigate the microstructure evolution due to ferroelectric domain switching and the micro fracture mechanism of ferroelectric polycrystals. The present project provides the fundamental theories on the design of ferroelectric devices and the life prediction and performance of MEMS.

多晶铁电材料的断裂破坏问题直接影响着铁电器件或铁电智能结构的可靠性和稳定性。本项目基于多晶铁电材料的微观组织特征及其非线性本构关系，对材料微结构演化下的多晶铁电断裂行为及构型力进行研究。首先，在以往多晶铁电跨尺度材料行为数值模拟工作基础上，通过对多晶铁电裂纹进行计算模拟，研究晶粒微结构组织形貌（如晶粒数量、取向、尺寸和形状）对裂尖场和机电屈服区的影响；其次，着重研究铁电材料在复杂多场耦合条件下，其微观组织演化、晶界处的非协调性和晶界失配对经典断裂参数,如应力和电场强度因子、J积分、能量释放率、裂纹张开位移、最大环向应力的影响；最后，开发材料构型力在多晶铁电断裂中的应用，利用构型力概念来表征铁电材料微结构演化过程中的能量释放率，为研究铁电畴变引起的材料微构型变化及铁电材料的断裂微观机理，提供一个内变量。本项目研究可以为铁电器件的结构设计以及铁电智能系统的可靠性分析和寿命预测提供理论基础。

多晶铁电材料的断裂破坏问题直接影响着铁电器件或铁电智能结构的可靠性和稳定性。本项目基于多晶铁电材料的微观组织特征及其非线性本构关系，对材料微结构演化下的多晶铁电断裂行为及构型力进行研究。项目研究可以为铁电器件的结构设计以及铁电智能系统的可靠性分析和寿命预测提供理论基础。.重要结果如下：.1） 基于傅里叶谱迭代摄动的多晶铁电材料畴结构的数值模拟.提出了一种基于傅里叶谱迭代摄动的有效数值算法,该方法可以精确地计算出静电场在三维微观结构下任意介质的不均匀性和各向异性。它也可以很好的应用于铁电材料微结构演变的相场模拟以及非均匀极化和电荷分布。.2）多晶铁电材料裂尖电畴偏转及其发射机理研究.研究发现，铁电材料在电场作用下，裂纹端部的自发极化具有明显的电蠕变现象，且裂纹尖端非均匀蠕变将引起电畴发射。通过相场方法，研究裂纹尖端的电畴发射机理，计算其发射速度；数值模拟结果表明裂纹端部电畴偏转导致的电蠕变对铁电材料具有一定的增韧作用。.3）基于材料构型力学的新屈服及其断裂准则.鉴于材料构型力学在处理与结构演化和缺陷运动有关的问题中所具有的独特优势，以材料构型力学中最具代表性的Eshelby构型应力张量为基础，提出了一种全新的材料屈服和断裂准则。.4）基于构型力的夹杂相变对裂纹偏转及扩展的影响机理.采用构型力理论和有限元模拟两种方法发现当弥散分布在裂纹尖端前方区域的颗粒发生相变时，可导致裂纹扩展的屏蔽效应以及引起裂纹偏转。.5）材料复杂缺陷系统中构型力准则参数的实验标定.通过对不同缺陷构型下的试件进行加载，提出了基于DIC技术的构型力准则参数的实验标定方法，验证构型力准则参数的临界值为一材料常数。该构型力准则参数可以作为一个失效准则预测复杂缺陷材料的最终失效。. 2013-2015年，项目实施三年以来，对铁电材料微观结构对材料力学行为的影响进行深入研究，完善材料构型力学的相关理论和实验工作，基于构型力学建立描述材料损伤和失效的新准则，进而开发其在铁电非均匀介质中的应用。已累计在国内著名期刊IJSS, JAM等权威期刊发表论文15篇，SCI论文10篇。2014年获陕西省高等学校自然科学奖一等奖（第二完成人），2015年获陕西省自然科学一等奖（第二完成人）。累计培养硕士4名，博士2名。