铁电材料的断裂研究

铁电材料具有紧凑的尺寸和出色的机电耦合特性，因此它作为智能材料和结构中的传感器和执行器的潜在应用引起了科学界的极大兴趣。然而，铁电材料易碎且容易开裂，在实现其全部潜力之前，有必要更好地了解铁电体的断裂。近年来，关于铁电体断裂行为的实验和理论研究都取得了长足的进步。在理论研究中，铁电体断裂力学分析的早期尝试是基于线性压电本构方程。许多作者分析了包含裂纹的压电介质中的机电场，由此建立了裂纹尖端附近的奇点，并引入了应力和电场/位移强度因子。

例如，Cherepanov（1979）和Parton（1976）提出了基于能量释放率的断裂判据压电晶体，而Park和Sun(1995b)使用机械应变能释放率来确定压电材料的断裂。据广泛报道，即使受到纯电负载，裂纹也会在铁电体中扩展,这在线性压电断裂力学分析中是出乎意料的。在纯电场和线性压电断裂力学分析下，含有绝缘裂纹的铁电体的能量释放率为负，而其机械能释放率为零，这将排除铁电体的电场诱导断裂。因此，关于是什么导致铁电体中电场引起的裂纹扩展，长期以来一直存在争论。

众所周知，铁电体在低电场下表现出线性压电响应，但在大电场下出现非线性响应。由于奇异性和场集中，这种非线性效应在裂纹尖端附近变得特别显着。从微观角度看，畴变是铁电体非线性的主要来源。在含有裂纹的铁电材料中，强场可以在裂纹尖端附近激活畴转换，即使施加的场不足以引起整体畴转换。显然，线性压电断裂力学需要修改以考虑裂纹尖端附近的域转换，并且有必要将铁电体的非线性效应纳入断裂模型以准确预测铁电体的失效行为，特别是解释电线性压电分析出乎意料的场致铁电断裂。

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