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2005年度国家自然科学奖


铁电陶瓷的力电耦合失效与本构关系

由清华大学杨卫等完成

    该项目属固体力学与材料科学的交叉领域。铁电陶瓷作为新一代功能陶瓷的代表,其可靠性问题日益受到关注。该项目系统且定量地探讨了铁电陶瓷在力电耦合加载下以断裂和疲劳裂纹扩展为表示形式的失效过程,提出电致断裂、电致疲劳裂纹控制和电致畴变增韧的模型。
    该项目主要内容为:(1)发现裂尖集中电场诱发的铁电畴变区,并确定该区为非常规畴变区。(2)提出电致断裂和电致疲劳裂纹扩展的起因在于裂纹尖端的约束应力场,进而建立小范围畴变模型。(3)提出畴变驱动的力电耦合增韧机理,得到畴变造成的屏蔽应力强度因子,阐述了极化电场造成的断裂韧性各向异性和正负电场对断裂韧性作用的非对称性。(4)提出驰豫型铁电陶瓷的电致断裂的机理阐述和标度律。(5)发现在亚矫顽交变电场下的电致疲劳裂纹扩展行为,提出交变电场下由畴变驱动的电致疲劳机理,给出了疲劳裂纹扩展量与电场翻转次数的理论预测值。(6)建立测量铁电陶瓷耦合变形的本构试验系统,利用无限大压电介质中含一椭球夹杂的解和将细观力学中的Mori-Tanaka平均场理论推广到压电介质中,提出了一种基于铁电材料内部电畴分布的宏细观相结合的本构理论。
    该项目系统总结成的专著《力电失效学》(Mechatronic Reliability)由清华大学出版社和德国施普林格出版社联合出版中英文版。
    该项目从1994年开始的工作在1995年后得到了大量的引用(SCI引用676次,其中他引511次)。


  

 

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