脈沖激光作用下鐵電薄膜的熱力電響應(yīng).pdf

1、鐵電薄膜因其具有獨(dú)特的鐵電性、壓電性、介電性、熱釋電性以及非線性光學(xué)等性能，在現(xiàn)代微電子、微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)、信息存儲(chǔ)等方面有著廣泛的應(yīng)用前景，已經(jīng)成為當(dāng)前新型功能材料研究的熱點(diǎn)之一。因此，鐵電薄膜的制備及性能的研究是目前國際上高度關(guān)注的研究課題。由于鐵電薄膜材料用于許多微器件，尤其在航空器件的工作過程中，薄膜不可避免地要經(jīng)歷許多嚴(yán)重的熱載荷作用。材料或者結(jié)構(gòu)可能遇到氣動(dòng)加熱、激光輻照和點(diǎn)火等造成的局部急劇升溫情況。此時(shí)，薄膜表面在

2、短的時(shí)間內(nèi)吸收大量的能量，會(huì)使薄膜溫度迅速升高進(jìn)而導(dǎo)致熱應(yīng)力水平急劇提高。當(dāng)溫度超過居里溫度或者由于應(yīng)力集中引起了裂紋擴(kuò)展，這將導(dǎo)致器件失效。為了研究鐵電薄膜在動(dòng)態(tài)熱載荷下的失效特征，必須首先解出熱-力-電場(chǎng)。因此，鐵電薄膜在脈沖激光熱作用下的熱力電響應(yīng)的研究對(duì)壓電薄膜體系在動(dòng)態(tài)加熱工作狀況下的壽命預(yù)測(cè)和失效機(jī)制的研究，具有極其重要的意義。
　　 本文用解析和數(shù)值模擬兩種方法研究了鋯鈦酸鉛(PZT)和具有鉍層狀類鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的鈦酸

3、鉍釹(BNT)的鐵電薄膜在脈沖激光作用下的熱力電響應(yīng)。并對(duì)解析和數(shù)值模擬的結(jié)果進(jìn)行了比較。主要內(nèi)容有：
　　 1 ．在理論上建立一個(gè)圓柱模型。用壓電勢(shì)函數(shù)方法從熱傳導(dǎo)方程和熱力電本構(gòu)關(guān)系出發(fā)，通過建立合適的邊界條件，求解出動(dòng)態(tài)熱載荷作用下鐵電薄膜體系的熱力電場(chǎng)的解析解，并用MATLAB 程序?qū)@些解析解進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。同時(shí)為了驗(yàn)證我們推導(dǎo)的壓電勢(shì)函數(shù)法的正確性，用有限元法對(duì)鐵電薄膜在脈沖激光作用下的熱力電場(chǎng)進(jìn)行模擬。
　　

4、 2 ．參數(shù)準(zhǔn)備。為了計(jì)算PZT和BNT的熱力電場(chǎng)，必須要得到它們的各種材料參數(shù)。首先通過查找文獻(xiàn)得到了PZT的材料參數(shù)；然后利用鈦酸鉍的機(jī)械性能參數(shù)近似得到了BNT 材料的機(jī)械性能參數(shù)；同時(shí)用金屬有機(jī)源分解(MOD)的方法制備了BNT 粉末，并利用調(diào)制溫度的示差掃描量熱儀(MTDSC)測(cè)量得到了BNT 材料的比熱容和熱傳導(dǎo)系數(shù)。
　　 3 ．通過MATLAB 數(shù)值計(jì)算和有限元模擬，研究在脈沖激光作用下PZT和BNT 鐵電薄膜的

5、熱力電場(chǎng)。兩種方法得到的結(jié)果符合得比較好。在脈沖激光作用下PZT 鐵電薄膜內(nèi)的溫度場(chǎng)主要由激光加載的空間和時(shí)間分布決定。PZT 鐵電薄膜中徑向位移比垂直方向的位移要大得多，而且徑向電位移也比垂直方向的電位移要大得多。在激光輻照區(qū)域內(nèi)正應(yīng)力和剪應(yīng)力都比輻照區(qū)域外大，所有的徑向，環(huán)向和垂直方向應(yīng)力都是壓應(yīng)力。而且，徑向和環(huán)向應(yīng)力的值要比垂直方向的正應(yīng)力和剪應(yīng)力大得多。由于壓的徑向和環(huán)向應(yīng)力，在激光作用區(qū)域內(nèi)的薄膜界面處可能出現(xiàn)剝離現(xiàn)象，進(jìn)而