压电薄膜激光热载荷下耦合响应与断裂失效分析

摘要

压电薄膜因其优良的力电耦合特性而广泛应用于微电子学、光电子学和微电子机械系统等领域。压电薄膜材料用于微器件,尤其在航空器件的工作过程中,薄膜不可避免地要经历严重的热载荷作用,此时薄膜表面在短的时间内吸收大量的能量,会使薄膜温度迅速升高进而导致热应力水平急剧提高。当温度超过居里温度或者由于应力集中引起了裂纹扩展,将导致器件失效。因此对压电薄膜在热环境工作状况下的寿命预测和失效机制的研究,具有十分重要的意义。由于压电材料的压电耦合特性以及裂纹面上复杂的边界条件,解析方法求解比较困难。本文采用有限元数值方法解决压电薄膜在激光载荷下的热-力-电响应及压电断裂问题,主要内容如下:
　　1.用激光束辐照来模拟压电薄膜可能遭遇到的热载荷,对圆柱坐标系下压电薄膜体系的模型进行有限元分析,并利用商用软件ANSYS进行数值求解,得到了激光热载荷作用下压电薄膜热-力-电响应。结果表明,在激光辐照区域内所有的径向、环向和垂直方向应力都是压应力,因此在薄膜界面处可能引起最初的鼓包,进而造成界面裂纹的产生、扩展,出现薄膜剥离现象。在激光辐照区域外,环向正应力出现了拉压力,这可能会导致薄膜表面出现径向裂纹。
　　2.对激光作用下的压电薄膜界面圆形裂纹进行分析,并利用ANSYS进行数值计算。考虑圆柱坐标系下轴对称情况,建立线性压电本构方程及界面裂纹处应力边界条件,按叠加原理,将激光作用下无裂纹压电薄膜界面应力作为载荷反向施加于裂纹面,求解界面裂纹问题。对界面裂纹尖端场采用外推法求解强度因子并利用J积分的二维回路线积分法计算能量释放率。结果表明,界面裂纹属于I-II复合裂纹,裂纹尖端只存在机械能释放率。
　　3.对激光作用下的压电薄膜表面贯穿裂纹进行分析,并利用ANSYS进行数值计算。对薄膜建立线性压电本构方程和裂纹面应力和电场边界条件,按叠加原理,将激光作用下无裂纹压电薄膜的应力场在裂纹对应处的值作为载荷反向施加于裂纹面,求解表面裂纹问题。对裂纹场采用外推法求解裂纹面各点强度因子,取平均值获得薄膜表面裂纹强度因子,采用基于J积分能量定义的虚裂纹扩展法计算能量释放率。结果表明,边缘表面贯穿裂纹以I型裂纹为主,II、III型裂纹的存在使裂纹扩展发生偏折,电场对裂纹扩展有阻碍作用。中间表面贯穿裂纹两尖端同时存在I、II、III型应力强度因子及电位移强度因子,裂纹扩展依赖以机械能释放率,不同位置裂纹的电场对裂纹扩展作用不同。

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第1章 绪论

1.1 压电效应及压电材料概述

1.2 压电材料断裂理论研究进展

1.3 有限元法

1.4 本论文的选题依据和主要内容

第2章 无裂纹压电薄膜热-力-电耦合分析

2.1 问题描述及基本方程

2.2 有限元计算

2.3 PZT压电薄膜连续激光下的耦合场

2.4 BNT压电薄膜脉冲激光下的耦合场

2.5 本章小结

第3章 PZT压电薄膜界面裂纹分析

3.1 问题描述和基本方程

3.2 求解强度因子K和能量释放率G

3.3 结果分析

3.4 本章小结

第4章 PZT压电薄膜表面贯穿裂纹分析

4.1 问题描述和基本方程

4.2 强度因子K和能量释放率G的求解

4.3 沿直径边缘表面贯穿裂纹模拟

4.4 沿直径中间表面贯穿裂纹模拟

4.5 本章小结

第5章 总结和展望

5.1论文总结

5.2工作展望

参考文献

致谢

附录 A攻读硕士学位期间发表的论文

附录 B J积分计算能量释放率计算的ANSYS代码下面给出ANSYS中总能量释放率J的计算过程。