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摘要：MSP (Modified Small Punch)试验法是一种适合陶瓷、玻璃等脆性材料的小样品力学性能评价策略。该策略结合了冲压和双轴弯曲试验的优势,最大特点是样品制备简单、固定方便,可以很精确地测得材料的位移,被广泛用于室温下脆性材料力学性能的评价。本探讨在小样品力学性能测试系统的基础上,通过设计模具,引入电场、温场和声发射仪器,实现了在力、电、热及其耦合条件下材料强度、疲劳寿命等力学性能的综合测试,同时还可以对测试历程中材料的损伤和破坏实时监测,进而建立了具有多场耦合加载功能的MSP力学性能测试系统。MSP力学性能测试系统在压电陶瓷的强度测试方面极具运用潜力,本论文采取该系统评价了不同相组成Pb(ZrxTi1-x)O3(PZT)陶瓷的断裂强度,获得了四点弯曲等力学性能试验法难以获得的曲折状载荷-位移曲线,测得了不同相组成PZT陶瓷的断裂强度。探讨了PZT陶瓷在力电耦合条件下的断裂行为,探讨了直流电场和交流电场对断裂行为的影响,并结合声发射仪浅析了PZT陶瓷的断裂历程中的微结构变化。探讨发现,在交流电场作用下,PZT陶瓷的压电性能越好,电场对其力学性能影响越大。与PZT45/55和PZT55/45相比,准同晶相的PZT52/48在力电耦合作用下的力学性能下降更为显著。在直流电场作用下,PZT陶瓷的断裂强度会随着电场的加载发生很大变化,在负电场作用下,PZT陶瓷的断裂强度会增加,而在正电场作用下,PZT陶瓷的断裂强度会降低。随着对电子器件寿命安全设计的要求越来越高,材料的疲劳行为受到极大的关注。本论文采取MSP力学性能测试系统评价了PZT45/55、PZT52/48和PZT55/45陶瓷的动态疲劳,计算得到它们的应力腐蚀指数和疲劳寿命,并发现四方相的PZT45/55陶瓷在利用历程中最容易产生疲劳损伤。另外,还评价了PZT陶瓷在纯力场和力电耦合条件下的动态疲劳,在纯力场下和力电耦合条件下,其应力腐蚀指数n分别为39和18,PZT陶瓷在力电耦合条件下的应力腐蚀因子不到纯力场下的一半。在力电耦合条件下,PZT陶瓷比较容易产生疲劳损伤。由此,在评价压电陶瓷的力学性能时,应该考虑电场的影响,这样才能真实地反映压电陶瓷的受力状态,进而有效地评价其力学性能。压电陶瓷器件通常在循环往复的电场和力场下运转,经过大量周期性加载后,它会发生力电耦合作用下的疲劳损伤,导致器件功能退化和失效,由此探讨循环场下PZT陶瓷的疲劳特性具有重要的作用。本论文采取MSP力学性能测试系统评价了PZT陶瓷的循环疲劳性能,通过疲劳衰减论述的预测策略预测了PZT陶瓷的循环疲劳寿命,计算得到100Hz循环疲劳下PZT陶瓷的裂纹扩展指数n为395。预测出PZT陶瓷在不同应力下的利用寿命,当循环应力强度最大值不超过79.1MPa的条件下,PZT陶瓷在连续承载的情况下可以安全利用5年。并详细讨论了力场循环疲劳中频率、波形和工艺对循环疲劳寿命的影响。本论文还探讨了多场耦合条件下直流电场对PZT陶瓷循环疲劳性能的影响。探讨发现,当PZT陶瓷被置于负电场的力电耦合条件下,循环加载后,其剩余强度会增加,电学性能会降低；当在正电场的力电耦合条件下,循环加载后,其剩余强度会降低,电学性能不变。探讨了交流电场的力电耦合条件下的循环加载对PZT陶瓷的力学和电学性能的影响。探讨表明,当交流电场的频率和力场的频率相同时,材料的剩余强度和电学性能并没有发生显著的变化,而当交流电场的频率和力场的频率不同时,材料的力学性能会急剧下降,电学性能也会相应降低。MSP力学性能测试系统在压电陶瓷中运用探讨表明,该系统是评价陶瓷材料多场耦合条件下的力学性能的一种高效、方便和可靠的测试策略。关键词：力电耦合论文小样品力学性能试验法论文疲劳论文声发射论文PZT陶瓷论文
摘要5-7
ABSTRACT7-12
第一章 文献综述12-40
1.1 课题作用12
1.2 PZT力学疲劳性能的探讨进展12-26
1.2.1 PZT陶瓷12-13
1.2.2 PZT陶瓷的运用13-14
1.2.3 PZT陶瓷的疲劳14-26
1.3 MSP(Modified Small Punch)试验法26-32
1.3.1 MSP(Modified Small Punch)试验法的产生26-27
1.3.2 MSP试验法原理27-28
1.3.3 MSP探讨近况28-32
1.4 课题的提出及主要探讨内容32-33
响54-623.2.1 实验策略54-56
3.2.2 结果与讨论56-62
3.3 直流电场对PZT陶瓷断裂行为的影响62-67
3.3.1 实验策略62-63
3.3.2 结果与讨论63-67
3.4 极化工艺对压电陶瓷断裂行为的影响67-72
3.4.1 实验策略67-68
3.4.2 结果与讨论68-72
3.5 本章小结72