電極和壓電材料的動態(tài)相互作用.pdf

1、作為一種新興智能材料,壓電陶瓷材料以其重量輕、靈敏度高、易于成型等優(yōu)勢正逐步代替?zhèn)鹘y(tǒng)材料,被廣泛應(yīng)用于各種壓電傳感器、致動器及各種高靈敏度儀器的制作。然而,壓電陶瓷材料又同時具有易碎、強度低等缺點,以至于在制作加工和使用的同時容易發(fā)生破裂失效的情況。為了增強壓電陶瓷材料的強度并同時實現(xiàn)電場的施加,在運用壓電材料的同時經(jīng)常把金屬電極填充進(jìn)壓電介質(zhì)層間或附于其表面。但是,電極與壓電介質(zhì)間因電力耦合作用而產(chǎn)生的界面開裂,會導(dǎo)致壓電設(shè)備發(fā)生破壞

2、甚至失效。因此,研究動態(tài)響應(yīng)下電極邊緣附近的應(yīng)力場分布形態(tài)了解其破壞過程對于保證壓電陶瓷元件的可靠性提高其使用壽命有著非常重要的實際意義。本文主要針對表面附有電極的半空間/有限空間壓電介質(zhì)和附有層間電極的雙層壓電介質(zhì)這三種電極-壓電材料模型,研究其在動態(tài)響下發(fā)生的力學(xué)行為。通過給出電位移強度因子和切向應(yīng)力在時間域內(nèi)的圖形分布,了解裂紋尖端場附近區(qū)域裂紋的發(fā)生及延展情況。
　　本文首先在動態(tài)響應(yīng)下無論是表面附有電極的半無限/有限空間

3、壓電介質(zhì)模型還是界面間存在電極的雙層壓電介質(zhì)模型,其電極與壓電介質(zhì)接觸面間的臨近區(qū)域是應(yīng)力、電場量存在奇異性的高發(fā)區(qū)。即,在靠近電極邊界區(qū)域周圍最容易生長裂紋。不同壓電材料的電位移強度因子隨著響應(yīng)時間的延長而增大,并在一段時間后緩慢的漸進(jìn)于某一固定值。即,響應(yīng)的時間持續(xù)越長,電量域集中現(xiàn)象越明顯,因此越容易發(fā)生電力耦合作用下的壓電介質(zhì)層與電極界面開裂甚至是破壞。再次,在動態(tài)響應(yīng)下無論是表面附有電極的有限空間壓電介質(zhì)模型還是界面間存在電極

4、的雙層壓電介質(zhì)模型,其壓電介質(zhì)層厚度與電極半徑的比值對應(yīng)力、電場量的奇異性是存在一定影響的。當(dāng)壓電介質(zhì)層厚度與電極半徑比值較小時,其電位移強度因子值較小,并且在響應(yīng)時間段內(nèi)起伏變化較小;相反,當(dāng)壓電介質(zhì)層厚度與電極半徑比值較大時,位移強度因子值較大,并且在響應(yīng)時間段內(nèi)起伏變化較大。即,在一定范圍內(nèi)適當(dāng)減小壓電介質(zhì)層的厚度,并適當(dāng)增大電極的半徑可以延緩其裂紋發(fā)生的時間,并提高設(shè)備的可靠性達(dá)到設(shè)備保護(hù)的作用。最后,在動態(tài)響應(yīng)下無論是表面附有