铁电陶瓷微观电畴的成核率模型

大量的实验已经证实电畴翻转是铁电材料非线性和迟滞性本构曲线的根本原因。研究者已经对铁电陶瓷的微观电畴翻转行为进行了大量详细的研究。针对描述电畴成核的物理实验结果和经典的成核率实验数据,为了建立电畴翻转体积分数的演化方程提出了反应微观电畴翻转的成核率模型。针对铁电试样电畴随机分布的情况,应用该模型对铁电陶瓷的非线性本构行为进行了研究。理论结果与实验数据的比较表明,模型能较好的描述铁电材料的非线性本构行为。同时模型所揭示的微观反转的物理本质可进一步的指导宏观唯象模型的改进。     

铁电陶瓷微观电畴演化的成核率模型

大量的实验已经证实电畴翻转是铁电材料非线性和迟滞性本构曲线的根本原因.根据这些描述电畴运动的物理实验结果,提出了成核率模型来模拟铁电材料的非线性本构行为.进一步由模型建立了基于微观电畴运动的电畴翻转体积分数演化方程.应用该模型得到的理论计算结果与实验数据的比较表明,模型能够描述铁电材料的非线性本构行为.同时模型所揭示的微观电畴成核的演化行为可进一步的指导宏观唯象模型的建立与改进.     

单晶铁电畴反转的简化模型

建立具有钙钛矿结构铁电材料的基本电畴结构类型及电畴反转系的表示方法;将电畴反转类似为晶体塑性理论的位错运动,采用内时理论的类似方法,提出一个较简便的电畴体积分数的演化方程,能综合考虑到反转驱动力、180和90反转的不同形式、电畴体积分数及反转的变形历史等对反转的影响.对不同外加力电载荷条件下单晶材料的响应进行了模拟计算,能较好反映铁电材料的电位移与电场强度、应变与电场强度、应力与应变、应力与电位移等的非线性力电耦合关系.     

铁电陶瓷宏观单轴力电行为的双面模型

铁电陶瓷以其优越的力电耦合性作为新型的智能材料使用. 提出基于弹塑性双面理论的宏观铁电本构模型. 根据铁电陶瓷内部电畴在外电场和机械场作用下的微观运动，在宏观上除引入材料的畴变面外，还首次引入饱和面，并考虑以畴变面与饱和面之间的广义距离来表征铁电陶瓷的非线性行为. 数值计算结果与实验数据的比较表明所提出的初步理论可适当地反映力电加载下铁电陶瓷的宏观非线性行为.     

铁电材料的疲劳失效行为

在航空航天、核能发电等重大装备技术领域, 作为高温传感/驱动/能量收集器件的敏感材料——铋层状结构铁电(BLSF)陶瓷在复杂载荷环境下的疲劳失效问题严重限制着器件寿命和可靠性的提高. 本文以BLSF陶瓷的应用需求为背景, 围绕铁电材料的疲劳裂纹扩展与电畴极化翻转及其相互作用机制等关键问题, 综述了铁电材料在热、力、电三种载荷及其耦合作用下疲劳失效行为的研究现状, 并根据当前铁电材料的一些新发展、新应用对其未来研究方向进行了展望, 旨在为高性能、长寿命铁电/压电器件设计提供参考.      

铁电陶瓷PZT53复杂力电耦合行为的实验研究

通过实验研究了平行和垂直于极化方向的正应力对铁电陶瓷锆钛酸铅(PZT53)的电滞回线(E3-P3)和电致应变曲线(E-ε)的影响. 实验发现平行于极化方向的压应力对PZT53陶瓷的电滞回线、电致应变曲线形状以及矫顽场大小都有明显的影响,但是垂直于极化方向的拉、压应力只对PZT53陶瓷的电致应变曲线形状有明显的影响,但对电滞回线形状和矫顽场大小都没有显著影响. 采用畴翻转的模型详细解释了观察到的实验现象,所得结果为建立铁电陶瓷的多轴力、电耦合本构模型,提供了物理基础.     

铁电单晶Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.32PbTiO3的实验及本构模型研究

对压力作用下沿[001]晶向极化的Pb(Mg弛豫型铁电单晶;极化旋转(相变);黏塑性模型;本构;细观力学国家自然科学基金，教育部全国优秀博士学位论文作者专项基金2006-11-06对压力作用下沿[001]晶向极化的Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.32PbTiO3(PMN0.32PT)弛豫型铁电单晶的应力应变行为进行了实验研究,实验结果表明铁电单晶〈001〉晶向的应力应变行为和铁电多晶有本质的不同,是传统的电畴翻转机理所难以解释的,所提出的极化旋转(相变)模型合理地解释了实验中观察到的现象;基于提出的极化旋转(相变)模型,采用细观力学方法建立了铁电单晶的细观本构模型.在模型中采用黏塑性公式描述铁电单晶可能的8个相变系统的相变行为.为了验证模型的可靠性,用该模型模拟了铁电单晶〈001〉晶向的应力应变实验曲线.计算表明,该模型能较好地模拟铁电单晶〈001〉晶向的相变行为.     

带尾翼的翻转型爆炸成形弹丸的三维数值模拟

利用LS-DYNA三维动力有限元程序对三点起爆的翻转型EFP形成过程及三个尾翼进行了数值模拟。计算结果与实验结果的比较表明:数值计算结果和实验结果吻合较好,可为弹丸优化设计提供重要参考依据。对药型罩材料分别选择Johnson-Cook和Steinberg两种本构模型进行了数值模拟。计算结果表明:药型罩材料的本构模型选取对形成的尾翼效果有一定影响,Steinberg本构模型与实验结果符合更好。     

构元组集损伤断裂模型及其与内聚区模型的比较

结构的响应实质上是材料的响应,宏观结构损伤至断裂的发展过程也是材料性质不断演化的结果.构元组集模型从材料的微观物理变形机制出发,基于对泛函势理论和Cauchy-Born准则,抽象出两种构元:弹簧束构元和体积构元.在微观层次上,结构损伤和断裂的实质都是原子间键合力减弱和丧失的结果,而弹簧束构元是同一方向上的原子键的抽象,因此损伤可以通过弹簧束构元的响应曲线来反映.组集两种构元的响应,建立了材料的弹性损伤本构关系,从而能一致描述材料从弹性到损伤、破坏的发展过程.将构元组集模型的本构关系嵌入ABAQUS的用户材料单元子程序UMAT,实现对结构响应的数值模拟.论文模拟了包含中心预制裂纹三点弯曲梁的裂纹扩展过程,并与内聚区模型比较,给出了内聚区模型所假设的应力-位移关系曲线,并从材料损伤演化的角度对材料裂纹扩展过程做出了物理解释.     

基于试验与有限元耦合技术的延性材料全程单轴本构关系获取方法

摘 要: 材料拉伸直至断裂的全程单轴本构关系对材料大变形和断裂机理研究具有重要意义。传统拉伸试验获取的材料真应力-真应变曲线在试样颈缩后不可测。借助可以精确测量三维变形的DIC(Digital image correlate) 技术和有限元分析技术(Finite element analysis),本文提出了基于漏斗试样拉伸试验获取材料全程单轴本构关系的新方法,即TF(Test and FEA)方法。该方法将TF方法获取的材料全程单轴应力应变关系曲线作为有限元软件中的材料本构关系对漏斗试样拉伸变形过程进行模拟,其模拟载荷-位移曲线、漏斗根部直径-位移曲线和漏斗变形轮廓线等均与试验结果吻合良好,试样表面模拟应变也与DIC测试结果吻合, 根据不同半径漏斗试样模拟获得的全程真应力-真应变曲线保持良好一致性。最后,还对试样颈缩断面的力学行为进行了讨论,并给出了304不锈钢、汽轮机叶片材料2Cr12Ni4Mo3VNBN和 1Gr12Ni3Mo2VN、汽轮机转子材料30Cr2Ni4MoV的全程单轴本构关系模型参数、破断应力和破断应变。