脉冲激光作用下铁电薄膜的热力电响应

论文摘要

铁电薄膜因其具有独特的铁电性、压电性、介电性、热释电性以及非线性光学等性能,在现代微电子、微机电系统（MEMS）、信息存储等方面有着广泛的应用前景,已经成为当前新型功能材料研究的热点之一。因此,铁电薄膜的制备及性能的研究是目前国际上高度关注的研究课题。由于铁电薄膜材料用于许多微器件,尤其在航空器件的工作过程中,薄膜不可避免地要经历许多严重的热载荷作用。材料或者结构可能遇到气动力加热、激光辐照和点火等造成的局部急剧升温情况。此时,薄膜表面在短的时间内吸收大量的能量,会使薄膜温度迅速升高进而导致热应力水平急剧提高。当温度超过居里温度或者由于应力集中引起了裂纹扩展,这将导致器件失效。为了研究铁电薄膜在动态热载荷下的失效特征,必须首先解出热-力-电场。因此,铁电薄膜在脉冲激光热作用下的热力电响应的研究对压电薄膜体系在动态加热工作状况下的寿命预测和失效机制的研究,具有极其重要的意义。本文用解析和数值模拟两种方法研究了锆钛酸铅（PZT）和具有铋层状类钙钛矿结构的钛酸铋钕（BNT）的铁电薄膜在脉冲激光作用下的热力电响应。并对解析和数值模拟的结果进行了比较。主要内容有:1.在理论上建立一个圆柱模型。用压电势函数方法从热传导方程和热力电本构关系出发,通过建立合适的边界条件,求解出动态热载荷作用下铁电薄膜体系的热力电场的解析解,并用MATLAB程序对这些解析解进行数值计算。同时为了验证我们推导的压电势函数法的正确性,用有限元法对铁电薄膜在脉冲激光作用下的热力电场进行模拟。2.参数准备。为了计算PZT和BNT的热力电场,必须要得到它们的各种材料参数。首先通过查找文献得到了PZT的材料参数;然后利用钛酸铋的机械性能参数近似得到了BNT材料的机械性能参数;同时用金属有机源分解（MOD）的方法制备了BNT粉末,并利用调制温度的示差扫描量热仪（MTDSC）测量得到了BNT材料的比热容和热传导系数。3.通过MATLAB数值计算和有限元模拟,研究在脉冲激光作用下PZT和BNT铁电薄膜的热力电场。两种方法得到的结果符合得比较好。在脉冲激光作用下PZT铁电薄膜内的温度场主要由激光加载的空间和时间分布决定。PZT铁电薄膜中径向位移比垂直方向的位移要大得多,而且径向电位移也比垂直方向的电位移要大得多。在激光辐照区域内正应力和剪应力都比辐照区域外大,所有的径向,环向和垂直方向应力都是压应力。而且,径向和环向应力的值要比垂直方向的正应力和剪应力大得多。由于压的径向和环向应力,在激光作用区域内的薄膜界面处可能出现剥离现象,进而导致界面裂纹的产生和扩展。在同样激光参数和薄膜尺寸条件下,BNT与PZT有着类似的热力电场分布。但BNT薄膜中的温度要低于PZT薄膜。BNT薄膜中的应力值要大于PZT薄膜。相对PZT薄膜来说,BNT薄膜中产生更大的位移和更小的电场。这些结果对压电薄膜体系在动态加热工作状况下的寿命预测和失效机制的研究提供了一定的理论指导。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 铁电体及铁电薄膜的发展历史及应用前景
• 1.1.1 铁电薄膜的发展历史
• 1.1.2 铁电薄膜的性质和应用
• 1.2 锆钛酸铅和钛酸铋钕铁电体
• 1.3 研究现状
• 1.4 本文的选题依据和主要工作
• 1.4.1 本文的选题依据
• 1.4.2 本文的主要工作
• 第2章 建立模型和参数确定
• 2.1 建立模型
• 2.1.1 几何模型的建立
• 2.1.2 激光模型的建立
• 2.2 参数确定
• 2.2.1 PZT材料参数的确定
• 2.2.2 BNT热-力-电耦合性能参数的确定
• 2.2.3 BNT热物理参数的实验测定
• 2.3 小结
• 第3章 压电势函数法和有限元法
• 3.1 压电势函数法
• 3.1.1 温度场的解析解
• 3.1.2 热-力-电耦合场的压电势函数求解
• 3.1.3 边界条件和MATLAB计算
• 3.2 有限元方法
• 3.2.1 有限元方法介绍
• 3.2.2 模型单元的选取
• 3.2.3 ANSYS建模和网格的划分
• 3.2.4 ANSYS对铁电薄膜体系的温度场分析和压电分析
• 3.3 小结
• 第4章 脉冲激光作用下PZT 薄膜的热-力-电响应
• 4.1 压电势函数法和有限元法计算
• 4.1.1 压电势函数法对PZT薄膜体系的计算
• 4.1.2 ANSYS对PZT薄膜体系的温度场分析和压电分析
• 4.2 两种计算方法对PZT薄膜的结果的比较和讨论
• 4.2.1 温度场的空间分布
• 4.2.2 热应力场的空间分布
• 4.2.3 位移场和电位移场的空间分布
• 4.2.4 温度和应力随时间的变化
• 4.3 小结
• 第5章 脉冲激光作用下BNT 薄膜的热-力-电响应
• 5.1 压电势函数法和有限元法计算
• 5.1.1 压电势函数法对BNT薄膜体系的计算
• 5.1.2 ANSYS对BNT薄膜体系的温度场分析和压电分析
• 5.2 两种计算方法对BNT薄膜的结果的比较和讨论
• 5.2.1 温度场的空间分布
• 5.2.2 热应力场的空间分布
• 5.2.3 位移场和电位移场的空间分布
• 5.2.4 温度场和热应力随时间的变化
• 5.3 小结
• 总结和展望
• 论文总结
• 工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录
• 攻读硕士期间已公开发表的论文