壓電薄膜激光熱載荷下耦合響應與斷裂失效分析.pdf

1、壓電薄膜因其優(yōu)良的力電耦合特性而廣泛應用于微電子學、光電子學和微電子機械系統(tǒng)等領域。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歷嚴重的熱載荷作用,此時薄膜表面在短的時間內吸收大量的能量,會使薄膜溫度迅速升高進而導致熱應力水平急劇提高。當溫度超過居里溫度或者由于應力集中引起了裂紋擴展,將導致器件失效。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-電響應及壓電斷裂問題,主要內容如下:
　　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。結果表明,在激光輻照區(qū)域內所有的徑向、環(huán)向和垂直方向應力都是壓應力,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)向正應力出現(xiàn)了拉壓力,這可能會導致薄膜表面出現(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,建立線性壓電本構方程及界面裂紋處應力邊界條件,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。結果表明,界面裂紋屬于I-II復合裂紋,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方程和裂紋面應力和電場邊界條件,按疊加原理,將激光作用下無裂紋壓電薄膜的應力場在裂紋對應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