壓電與鐵電體的斷裂力學

前言

　　壓電／鐵電體的機電耦合特性和各向異性導致其損傷和斷裂特性的研究變得異常復(fù)雜和困難，因此其斷裂力學問題的求解具有一定的挑戰(zhàn)性。弄清楚壓電／鐵電固體斷裂的物理力學機制，提高其抗斷裂的能力成為近年來固體力學和材料物理領(lǐng)域內(nèi)的重要研究課題。本書從固體力學和材料物理相結(jié)合的角度系統(tǒng)論述壓電／鐵電固體的材料特征和工程背景、力電耦合所引起的斷裂行為和破壞模式以及斷裂判據(jù)的建立，集中體現(xiàn)了近年來這方面的研究成果和所形成的理論體系，豐富了固體力學的研究內(nèi)容，具有重要的學術(shù)價值。該書頗具特色：以“力電耦合效應(yīng)是如何影響壓電／鐵電材料斷裂行為”為主題，在強調(diào)物理概念清晰、數(shù)學力學處理嚴謹?shù)耐瑫r，也非常關(guān)注理論方法、實驗技術(shù)與實際材料的緊密結(jié)合，為固體力學和材料物理領(lǐng)域的研究生和研究人員提供了一本頗有價值的參考書?！　”緯髡叻结穼幗淌诤蛣⒔鹣步淌谑蔷哂泻芨邔W術(shù)造詣的青年學者，具有扎實深厚的智能材料力學理論基礎(chǔ)以及材料物理方面的專門知識，近十年來一直從事壓電／鐵電材料和鐵磁材料的變形與斷裂方面的理論與實驗研究，取得了系列創(chuàng)新性成果，在國內(nèi)外產(chǎn)生了重要的影響。他們以自己多年研究工作為基礎(chǔ)，并參考國內(nèi)外的有關(guān)文獻和新進展，以專著的形式系統(tǒng)地闡明了壓電／鐵電固體斷裂的基本理論和研究方法，內(nèi)容新穎豐富，文獻覆蓋面廣，論述循序漸進，結(jié)構(gòu)清晰嚴謹，具有很高的學術(shù)水平，是一本優(yōu)秀的學術(shù)專著。為此，我非常愿意向讀者推薦并作序。

內(nèi)容概要

　　《壓電與鐵電體的斷裂力學》是關(guān)于壓電／鐵電吲體斷裂力學的專著，從理論分析、數(shù)值計算和實驗觀察三個方面比較全面和系統(tǒng)地闡述了壓電／鐵電固體的斷裂問題，強調(diào)靜態(tài)、動態(tài)和界面斷裂問題的力學提法以及力電耦合效應(yīng)所導致的電致斷裂的物理本質(zhì)?！秹弘娕c鐵電體的斷裂力學》的上要特色是：詳細描述了壓電／鐵電材料的基本方程以及與斷裂問題相關(guān)的一般解．以圖的形式提供了大量的數(shù)值計算結(jié)果和實驗結(jié)果，用簡潔的語言解釋了復(fù)雜的力電耦合斷裂問題?！秹弘娕c鐵電體的斷裂力學》的這些特色使固體力學、材料科學、應(yīng)用物理和機械工程領(lǐng)域的瀆者能夠很容易抓住問題的物理本質(zhì)和把握壓電／鐵電固體斷裂力學的研究現(xiàn)狀。

作者簡介

　　方岱寧，現(xiàn)為教育部“長江學者獎勵計劃”特聘教授，國家杰出青年基金和教育部跨世紀人才基金獲得者，清華大學工程力學系固體力學研究所所長，【破壞力學】教育部重點實驗室主任，國務(wù)院政府特殊津貼獲得者。在先進材料的變形與斷裂行為的研究中取得突出的成績，至今已發(fā)表SCI論文一百多篇，獲得國家發(fā)明專利8項和自主軟件著作權(quán)1項。2002年獲得教育部“推薦國家科學技術(shù)獎一等獎（自然科學類）”，2005年獲得國家自然科學二等獎，2007年獲得教育部“推薦國家科學技術(shù)獎一等獎（發(fā)明技術(shù)類）”?！　》结穼幗淌谶€擔任中國力學學會副理事長，中國儀器儀表學會試驗機分會理事長，中國復(fù)合材料學會理事，復(fù)合材料力學專業(yè)委員會副主任，中國力學學會對外交流與合作工作委員會副主任，亞太材料力學協(xié)會副主席，《International Jouiaaal of Nonlinear Science and Numerical Simulation》執(zhí)行主編，《Acta Mectlanics Sinica》副主編，《力學學報》副主編， 《計算力學學報》副主編，《力學進展》常務(wù)編委， 《試驗技術(shù)與試驗機》編委會副主任，《復(fù)合材料學報》編委、《工程力學學報》編委、《機械強度》編委、《應(yīng)用基礎(chǔ)科學與工程學報》編委。1999年和2000年分別獲得香港Cmucher基金會基金資助在香港大學作客座教授，2001年應(yīng)邀到美國普渡大學作客座教授，2006年應(yīng)邀到英國劍橋大學作客座教授。作為會議主席多次主辦和主持國際和國內(nèi)學術(shù)會議。　　劉金喜，1982畢業(yè)于遼寧工程技術(shù)大學，1988年和1997年獲哈爾濱工業(yè)大學工學碩士和工學博士學位?，F(xiàn)為石家莊鐵道學院工程力學系教授，北京交通大學固體力學博士生導師。2006年獲得河北省有突出貢獻中青年專家稱號。2000～2001年度獲香港裘槎基金（Croucher Foundation）在香港大學作客座教授。2003年和2004年分別獲得教育部自然科學一等獎和河北省自然科學二等獎。主要研究方向為壓電、磁電材料及其結(jié)構(gòu)的力學問題。已發(fā)表學術(shù)論文六十余篇，其中38篇被Sci收錄。

書籍目錄

第1章 緒論1.1 壓電鐵電材料斷裂力學的研究背景1.2 發(fā)展簡史與趨勢1.3 本書的結(jié)構(gòu)與內(nèi)容安排第2章 電介質(zhì)物理與材料特性2.1 壓鐵電材料的一些基本概念2.2 電介質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)2.3 電極化特性與壓電特性2.3.1 電極化的微觀機制2.3.2 電極化的物理描述2.3.3 晶體的介電常數(shù)張量與其對稱性2.4 鐵電疇變理論2.4.1 電疇與疇片結(jié)構(gòu)2.4.2 電疇翻轉(zhuǎn)與疇變準則第3章 壓電、鐵電斷裂的實驗方法與結(jié)果3.1 力電耦合場作用下的實驗方法與技術(shù)3.1.1 高壓電源3.1.2 高壓絕緣問題3.1.3 云紋干涉方法3.1.4 數(shù)字散斑相關(guān)方法3.1.5 偏振光顯微鏡方法3.1.6 實驗裝置3.2 斷裂韌性的各向異性3.3 電場對斷裂韌性的影響3.4 納米復(fù)相鐵電材料的斷裂3.5 雙層壓電陶瓷結(jié)構(gòu)中電極附近變形場測量3.6 電極端部裂紋類型的實驗觀測3.7 離面極化鐵電單晶的實驗結(jié)果和分析3.7.1 低電場驅(qū)動裂尖可恢復(fù)的疇變3.7.2 周期電場驅(qū)動的周期疇變3.7.3 電致裂紋擴展和裂尖電疇演化3.8 面內(nèi)極化鐵電單晶的實驗結(jié)果和分析3.8.1 正電場下試件的響應(yīng)3.8.2 低負電場下的裂尖疇變3.8.3 負電場下裂尖的疇變區(qū)3.8.4 交變電場下裂尖電疇演化第4章 壓電材料的場方程4.1 基本方程4.1.1 壓電方程4.1.2 梯度方程和平衡方程4.2 壓電材料電彈常數(shù)之間的約束關(guān)系4.3 壓電材料的電彈常數(shù)4.4 力電耦合問題的控制微分方程和邊界條件4.4.1 力電耦合問題的控制微分方程4.4.2 力電耦合問題的邊界條件第5章 壓電材料力電耦合問題的一般解5.1 壓電材料力電耦合問題的Stroh型一般解5.1.1 Stroh型一般解5.1.2 壓電Stroh型解的數(shù)學特性和重要關(guān)系式5.2 壓電材料力電耦合問題的Lekhniskii型一般解5.3 橫觀各向同性壓電材料二維問題的一般解5.3.1 橫觀各向同性壓電材料反平面問題的一般解5.3.2 橫觀各向同性壓電材料平面問題的一般解——Stroh方法5.3.3 橫觀各向同性壓電材料平面問題的一般解——Lekhniskii方法5.4 橫觀各向同性壓電材料三維問題的一般解第6章 均勻壓電材料的斷裂力學6.1 反平面斷裂問題6.2 平面斷裂問題6.3 三維裂紋問題6.3.1 問題的描述6.3.2 電彈場的求解6.4 介電橢圓孔的力電耦合問題6.4.1 含介電橢圓孔壓電材料的反平面問題6.4.2 含介電橢圓孔壓電材料的廣義平面問題6.5 裂紋面電邊界條件對裂紋尖端場的影響第7章 壓電材料的界面斷裂力學7.1 均勻力電載荷作用下壓電材料的界面裂紋7.1.1 界面裂紋的尖端場7.1.2 絕緣界面裂紋的全場解7.2 材料性能對界面裂紋尖端場的影響7.3 含界面裂紋壓電材料的Green函數(shù)7.3.1 壓電材料Green函數(shù)概述7.3.2 反平面界面裂紋的Green函數(shù)第8章 壓電材料的動態(tài)斷裂力學8.1 裂紋壓電體的彈性波散射8.1.1 壓電體中彈性波傳播的基本概念8.1.2 壓電體中裂紋對彈性波散射的主要研究工作8.1.3 壓電一彈性層狀半空間中界面裂紋對Love波的散射8.2 壓電介質(zhì)中的運動裂紋8.2.1 運動界面裂紋的反平面問題8.2.2 運動裂紋的平面問題8.3 裂紋壓電體對力／電沖擊載荷的瞬態(tài)響應(yīng)8.3.1 力／電沖擊載荷作用下裂紋壓電體的反平面問題8.3.2 條形壓電介質(zhì)中Ⅲ一型裂紋的瞬態(tài)響應(yīng)8.3.3 力／電沖擊載荷作用下裂紋壓電體的平面問題8.4 壓電材料的動態(tài)裂紋擴展8.4.1 Ⅲ－型導電裂紋的動態(tài)擴展8.4.2 Ⅲ－型介電裂紋的動態(tài)擴展第9章 鐵電材料的非線性斷裂力學9.1 非線性斷裂力學模型9.1.1 電致伸縮模型9.1.2 Dugdale模型9.2 疇變增韌模型9.2.1 解耦的各向同性模型9.2.2 力電耦合的各向異性模型9.3 非線性COD模型9.3.1 裂紋張開位移（COD）的定義9.3.2 壓電效應(yīng)引起的裂紋張開位移9.3.3 疇變對裂紋張開位移的影響9.4 力載荷下BaTiO3單晶的裂尖疇變和裂紋擴展的相互作用9.4.1 實驗原理與技術(shù)9.4.2 實驗現(xiàn)象9.4.3 疇變區(qū)分析9.4.4 鐵彈疇變增韌第10章 斷裂準則10.1 應(yīng)力強度因子準則10.2 能量釋放率準則10.2.1 總能量釋放率準則10.2.2 機械應(yīng)變能釋放率準則10.3 能量密度因子準則10.4 應(yīng)力強度因子準則的進一步討論10.5 COD準則第11章 電極誘致壓電材料的電彈場集中11.1 表面電極附近的電彈場11.1.1 條形表面電極附近的電彈場11.1.2 圓形表面電極附近的電彈場11.2 界面電極附近的電彈場……第12章 電致疲勞斷裂第13章 壓電與鐵電材料斷裂分析的數(shù)值方法附錄 壓電陶瓷的材料常數(shù)參考文獻

章節(jié)摘錄

　　電子顯微技術(shù)：電子顯微術(shù)是目前用來觀測電疇的主要方法。其優(yōu)點是分辨率高，而且可觀測電場作用下疇的變化。SEM（掃描電鏡）可直接觀測樣品表面，用TEM（透射電鏡）則在樣品制備方面需付出較大努力。TEM用的樣品通常是薄箔，也可用表面復(fù)型（修飾法）。近年來出現(xiàn)的掃描力顯微鏡是研究電疇的一種有力手段，其優(yōu)點是適用于各種材料，不需要真空，而且可以觀測到。nm級的精細結(jié)構(gòu)。光學法觀察疇的尺寸只能到μm級，而利用電子顯微技術(shù)則可觀察寬度直到nm級的疇結(jié)構(gòu)及疇壁的運動。　　酸腐蝕技術(shù)：利用鐵電體在酸中被腐蝕的速度與偶極矩極性有關(guān)的特點，不同極性的疇被腐蝕的程度不一樣。偶極矩正端被酸侵蝕很快，負端侵蝕速度很慢，用顯微鏡即可直接觀察。腐蝕技術(shù)的主要缺點是具有破壞性而且速度慢?！　》勰┏恋矸ǎ豪媒^緣液中某些有顏色的帶電粒子的沉淀位置來顯示疇結(jié)構(gòu)。比如黃色的硫和紅色的氧化鉛粉末在乙烷中將分別沉積在疇的負端和正端，從而顯示出疇結(jié)構(gòu)?！　∫壕э@示技術(shù)：這是近年才發(fā)展起來的觀察電疇結(jié)構(gòu)的新技術(shù)。它是將一薄層向列型液晶覆蓋在鐵電晶體表面，由于電疇極性的影響，液晶分子會形成一個與疇結(jié)構(gòu)相應(yīng)的圖案，用偏光顯微鏡直接觀察。這種方法優(yōu)于酸腐蝕法和粉末沉淀法。特點是方便而且快，能迅速響應(yīng)疇結(jié)構(gòu)的快速變化，并具有十分高的分辨率?！　〈送?，還可用熱電技術(shù)、X射線技術(shù)和凝霧法等來研究電疇?！　?.4.2 電疇翻轉(zhuǎn)與疇變準則　　1.電疇翻轉(zhuǎn)　　鐵電體中的電疇在力電場的作用下可能發(fā)生翻轉(zhuǎn)，我們稱為疇變。疇變的微觀機理可以用鐵電體的原子模型來解釋。下面以自發(fā)極化后的BaTiO3為例來討論外加電場和應(yīng)力場作用下的疇變問題?！　∈紫瓤紤]僅有電場加載的情況。若外電場E的方向與現(xiàn)有的極化Ps方向不一致，當外加電場足夠大時，自發(fā)極化方向與電場方向不一致的晶胞中的Ti4+離子就要發(fā)生遷移，使晶胞的極化狀態(tài)向另外五種可能極化狀態(tài)之一轉(zhuǎn)變，并使新的自發(fā)極化方向最接近于外加電場方向，這時對應(yīng)的電疇發(fā)生180度或90度的翻轉(zhuǎn)，如圖2.12所示。一般將電場引起的疇變稱為鐵電性。

圖書封面

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