[发明专利]铁电陶瓷裂纹尖端电蠕变波的传播速度测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及采用偏振光技术来测量铁电陶瓷裂纹尖端电蠕变波沿裂尖指向各方向的传播速度。

背景技术

铁电陶瓷广泛应用于电子业、仪器仪表业，例如，传感器、作动器等等。铁电材料往往是脆性材料，在其制造过程中和工业使用过程中裂纹的出现难以避免。而铁电陶瓷材料在应用时往往受到强电场的作用，裂纹的尖端过程区将是非线性的。著名的电疲劳裂纹扩展问题就是导致铁电材料破坏的原因之一。由于裂纹尖端电场强度的集中效应，即使在外电场只有矫顽电场的几分之一时，过程区内局部电场就超过矫顽电场强度，其中的电畴群体发生极化，从原来的随机指向分布变成群体指向外电场方向。但是，外电场的传播速度是光速，可是裂纹尖端由于电蠕变引起的电畴旋转速度极其缓慢。测量这个电蠕变波的速度是非常重要的，因为它直接支配着裂纹尖端过程区电屈服区的尺寸和形状随时间的变化关系，进而直接影响在电载荷下裂纹的稳定性。

电畴旋转现象的发现是近30年的事情，而电蠕变现象的发现是近10年的事情。其表达公式为：

P·3r=P·0(E3/Ec)m---(1)]]>

这里是局部极化速率，是极化速率常数，E₃是局部的电场强度，E_c是铁电材料的矫顽电场，m是铁电材料电蠕变的幂指数。

前人对铁电材料的电蠕变作了一些实验研究[Liu QD，Huber JE(2006)Creep in ferroelectrics due to unipolar electrical loading.J Europ Ceram Soc，Vol.29，pp.2799-2806；Liu QD，Fleck NA，Huber JE Chu DP(2009)Birefringencemeasurements of creep near an electrode tip in transparent PLZT.J Europ CeramSoc，Vol.29，pp2289-2296]，已经证明公式(1)是成立的，并且对PLZT(锆钛酸铅镧)铁电材料得到了极化速率常数电蠕变的幂指数m的具体数值。

而与此相平行的是，二十世纪80年代外国学者对韧性材料机械性蠕变导致裂纹尖端附近的位错发射(dislocation emission)的研究。在纯电载荷下的铁电材料裂纹尖端应该有相应的物理现象，这就是本项发明指出的裂纹尖端场电畴的旋转发射问题(domain switching emission)。

需要指出的是，所有涉及到铁电材料电畴的旋转问题和电蠕变的国内外文献，存在以下几个不足之处：

1、他们仅仅涉及电畴旋转的基本物理机理，没有认识到裂纹尖端电畴发射这个关键现象是个波动问题，当然更没有联系到电畴发射的速度(velocityofthe emission)，即波动的速度。

2、前人对铁电陶瓷材料电致破坏，或者裂纹问题的理论和试验研究认识到了裂纹尖端区的电畴旋转问题和极化问题，但是，他们对近尖端非线性区的确定是没有考虑到随时间变化的规律，当然更没有考虑电畴从裂尖发射对非线性区的影响。