多铁性材料的断裂力学研究进展.pdf

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1、InternalCombustionEngine＆Parts。67‘多铁性材料的断裂力学研究进展周凯(装甲兵工程学院，北京100072)摘要：在现代制造x-E技术、新材料科学以及工程应用需求的不断推动下，智能器件正向多功能化方向快速发展。传统的单一材料器件很难同时具备多种功能，开发集电、磁、弹等不同功能于一体的复合材料已经成为智能器件制造领域的一种迫切需求。这种需求使得压电／压磁复合材料成为学术界和工程界近年来关注的焦点Ill。该类复合材料同时具有双向的压电、压磁效应，二者互动又产生双向的磁电耦合效应。压电、压磁、磁电等三种双向耦合效应

2、共存使压电／压磁复合材料成为制造多功能智能器件的理想材料“。正是由于具有这种多功能化的特征，压电，压磁复合材料在传感器、致动器、换能器、自旋电子器件、电容电感一体化器件、微波设备、智能滤波设备、高精度成像设备、信息读写与高密度存储设备以及微机电系统(MEMS)等领域有着广阔的应用前景叫l。关键词：多铁性材料；层状复合材料；断裂力学；磁电耦合效应；裂纹问题1多铁性复合材料的应用价值从力学或者机械性能的角度来看，各类压电、压磁陶瓷以及由它们复合而成的复合材料都有一个共同的缺点，即它们天然的脆性。当智能器件在苛刻的环境中长期服役之后，力、电、

3、磁载荷的作用难免会在这些脆性的陶瓷材料中形成裂纹。器件产生裂纹之后，不仅其机械性能会大大削弱，而且其压电、压磁、磁电等耦合效果会显著降低甚至丧失。因此，断裂力学分析对于压电，压磁智能器件的设计及其性能优化具有十分重要的意义，是近年来该领域的一个研究热点。目前，这方面的文献大多研究该类材料中的单一裂纹问题M。然而，在外载荷作用下，压电／压磁陶瓷中可能同时产生多条裂纹。与单一裂纹的情况相比，多裂纹的几何位置排列更为复杂，而且相邻裂纹之间相互作用可能会使得智能器件具有复杂的断裂行为。力、电、磁三场耦合条件下的多裂纹问题研究不仅对于智能器件设计

4、和应用具有明显的必要性，而且也是断裂力学理论研究中值得关注的课题，因而具有重要的工程意义和研究价值。2压电／压磁复合材料2．1概念与分类所谓压电／压磁复合材料，是指将压电相与压磁相通过某种方式进行复合制造而得到的一类复合材料。根据其组分材料形状的不同，大致可以将其划分为颗粒复合材料、纤维复合材料、层状复合材料等三类【2】。颗粒复合材料通常是由压电、压磁陶瓷粉末混合共熔或烧结而成，它常常又被称为磁电弹材料；纤维复合材料一般是将压磁相(或压电相)制成纤维，然后嵌入到压电(或压磁)基体中制备而成。层状复合材料则是由压电片和压磁片交替铺层粘接而

5、成。工程中常见的压电、压磁材料一般是人工陶瓷。传统含铅陶瓷(如锆钛酸铅)由于对环境不友好其应用已经受到各国限制。目前，无铅铁电、铁磁陶瓷(如，钛酸钡、铁酸作者简介：周凯(1991一)，男，浙江宁波人，装甲兵工程学院硕士在读，研究方向为多铁性复合材料的断裂力学分析。钴等)正逐渐成为该类智能器件的主流材料。由于这一类无铅陶瓷具有铁电、铁磁、铁弹、铁涡等多重铁性，因此，由它们复合而成的压电，压磁复合材料又常常被称为多铁性磁电复合材料[10-111。随着制备工艺的进步，多铁性磁电复合材料的组分不仅可以具有宏观尺寸、也可以具有微观甚至纳观尺度。目

6、前常见的多铁性磁电纳米复合材料主要包括纤维复合材料和层状复合材料两种【12_131。研究表明f141：相对于压电／压磁颗粒复合材料的情况而言，压电，压磁层状复合材料在室温下的磁电耦合系数要高出十几倍至几十倍。因此，关于压电／压磁层状复合材料的研究成为近年来国内外的一大热点。2．2磁电耦合效应磁电耦合效应，简称磁电效应，是压电／压磁复合材料的重要性能之一。在该类复合材料中，压电相具有压电与逆压电效应，而压磁相则具有压磁与逆压磁效应。当压电相和压磁相复合在一起之后，复合材料不仅具有双向压电、压磁效应，而且还可产生～种其组分材料所不具备的双向

7、磁电耦合效应，即，正磁电效应与逆磁电效应。正磁电效应=逆压磁效应x压电效应。外加磁载荷通过逆压磁效应使压磁相首先发生变形，这种变形经由两相之间的界面传递而使压电相也产生变形，最终通过压电相的压电效应输出电学响应。逆磁电效应=逆压电效应X压磁效应。外加电载荷通过逆压电效应使压电相首先发生变形，这种变形经由界面传递而使压磁相也产生变形，最终通过压磁相的压磁效应输出磁学响应。由此可见，压电／压磁复合材料的磁电效应是一种由界面介导的双向耦合作用。通过这种双向耦合，我们可以在同一材料内部实现磁与电的相互调控。2．3压电／压磁材料研究进展关于磁电效

8、应及其材料的研究已经有100余年的历史。早期的研究主要集中在单相磁电材料的寻找和测试方面。1894年，物理学家Curie在研究天然石英晶体的压电现象的过程中，最早论证了磁电效应存在于单相材料中的可能性。在此