壓電薄膜激光熱載荷下耦合響應(yīng)與斷裂失效分析.pdf

1、壓電薄膜因其優(yōu)良的力電耦合特性而廣泛應(yīng)用于微電子學(xué)、光電子學(xué)和微電子機械系統(tǒng)等領(lǐng)域。壓電薄膜材料用于微器件,尤其在航空器件的工作過程中,薄膜不可避免地要經(jīng)歷嚴重的熱載荷作用,此時薄膜表面在短的時間內(nèi)吸收大量的能量,會使薄膜溫度迅速升高進而導(dǎo)致熱應(yīng)力水平急劇提高。當溫度超過居里溫度或者由于應(yīng)力集中引起了裂紋擴展,將導(dǎo)致器件失效。因此對壓電薄膜在熱環(huán)境工作狀況下的壽命預(yù)測和失效機制的研究,具有十分重要的意義。由于壓電材料的壓電耦合特性以及裂

2、紋面上復(fù)雜的邊界條件,解析方法求解比較困難。本文采用有限元數(shù)值方法解決壓電薄膜在激光載荷下的熱-力-電響應(yīng)及壓電斷裂問題,主要內(nèi)容如下:
　　1.用激光束輻照來模擬壓電薄膜可能遭遇到的熱載荷,對圓柱坐標系下壓電薄膜體系的模型進行有限元分析,并利用商用軟件ANSYS進行數(shù)值求解,得到了激光熱載荷作用下壓電薄膜熱-力-電響應(yīng)。結(jié)果表明,在激光輻照區(qū)域內(nèi)所有的徑向、環(huán)向和垂直方向應(yīng)力都是壓應(yīng)力,因此在薄膜界面處可能引起最初的鼓包,進而造

3、成界面裂紋的產(chǎn)生、擴展,出現(xiàn)薄膜剝離現(xiàn)象。在激光輻照區(qū)域外,環(huán)向正應(yīng)力出現(xiàn)了拉壓力,這可能會導(dǎo)致薄膜表面出現(xiàn)徑向裂紋。
　　2.對激光作用下的壓電薄膜界面圓形裂紋進行分析,并利用ANSYS進行數(shù)值計算?？紤]圓柱坐標系下軸對稱情況,建立線性壓電本構(gòu)方程及界面裂紋處應(yīng)力邊界條件,按疊加原理,將激光作用下無裂紋壓電薄膜界面應(yīng)力作為載荷反向施加于裂紋面,求解界面裂紋問題。對界面裂紋尖端場采用外推法求解強度因子并利用J積分的二維回路線積分法

4、計算能量釋放率。結(jié)果表明,界面裂紋屬于I-II復(fù)合裂紋,裂紋尖端只存在機械能釋放率。
　　3.對激光作用下的壓電薄膜表面貫穿裂紋進行分析,并利用ANSYS進行數(shù)值計算。對薄膜建立線性壓電本構(gòu)方程和裂紋面應(yīng)力和電場邊界條件,按疊加原理,將激光作用下無裂紋壓電薄膜的應(yīng)力場在裂紋對應(yīng)處的值作為載荷反向施加于裂紋面,求解表面裂紋問題。對裂紋場采用外推法求解裂紋面各點強度因子,取平均值獲得薄膜表面裂紋強度因子,采用基于J積分能量定義的虛裂紋