1、上海交通大學(xué)博士后士學(xué)位論文橡膠復(fù)合材料的雙向力學(xué)特性與鐵電陶瓷材料的斷姓名：張豐發(fā)申請學(xué)位級別：博士后士專業(yè)：固體力學(xué)指導(dǎo)教師：匡震邦20050201摘要摘要簾線橡膠復(fù)合材料是一種典型的非線性粘彈性柔性復(fù)合材料，對簾線橡膠復(fù)合材料在雙向受力條件下的力學(xué)性能研究，到目前為止國內(nèi)外尚沒有相關(guān)研究報導(dǎo)：壓電材料是一種能在電能和機械能之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換的功能性材料，由于這些智能陶瓷在應(yīng)用過程中可能要承受靜態(tài)、動態(tài)或循環(huán)和力載和電載荷的作用，出現(xiàn)了智能陶瓷材料的強度和斷裂等問題，因此研究智能壓電陶瓷材料的失效規(guī)律很有必要。本文對簾線橡膠復(fù)合材料的雙向力學(xué)特性進(jìn)行了系統(tǒng)地研究。探討了簾線橡膠復(fù)合材料雙向拉伸時

2、的力學(xué)行為和規(guī)律及蠕變和應(yīng)力松馳規(guī)律：基于橫觀各向同性材料的本構(gòu)模型，首次提出適合描述其在雙向載荷條件下力學(xué)響應(yīng)的本構(gòu)模型。為建立簾線橡膠復(fù)合材料的本構(gòu)關(guān)系和失效準(zhǔn)則提供更加充分的依據(jù)?？紤]到簾線橡膠復(fù)合材料的大變形和粘彈性等特點，首次將自由能函數(shù)引入到橡膠復(fù)合材料領(lǐng)域，通過引入了簾線損傷參數(shù)的概念，建立了大變形粘彈性宏觀本構(gòu)模型。在雙向力學(xué)性能試驗研究的基礎(chǔ)上，對簾線橡膠復(fù)合材料的雙向拉一拉失效機理和失效規(guī)律進(jìn)行了研究?？紤]了簾線角度對失效數(shù)據(jù)的影響并針對不同失效模式，建立了相應(yīng)的失效準(zhǔn)則。其有效性也通過材料的雙向拉伸試驗結(jié)果得到了驗證。建立了壓電陶瓷材料的力一電耦合加載裝置，并通過三點彎曲

3、實驗對一在力電耦合載荷作用的破壞規(guī)律進(jìn)行了研究。發(fā)現(xiàn)了模態(tài)能和電場的關(guān)系，驗證了匡提出的預(yù)測壓電材料破壞的模態(tài)能理論。由于時間限制，在力一電耦合載荷條件下壓電陶瓷材料的失效問題還需要進(jìn)一步的研究和深化，這也是下一步工作的重點。關(guān)鍵詞三點彎曲實驗；力一電耦合加載；壓電陶瓷材料；簾線橡膠復(fù)合材料失效準(zhǔn)則：本構(gòu)模型上海交通大學(xué)博后出站工作報告，、，；：；第章緒論第章緒論研究背景簾線橡膠復(fù)合材料是由簾線增強材料和橡膠基體材料經(jīng)過有效的復(fù)合而形成的一種典型的具有特定功能的柔性復(fù)合材料。作為一種先進(jìn)的工程材料，簾線橡膠復(fù)合材料已經(jīng)被廣泛地運用在航空器、汽車和電廠等各種結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中。這些系統(tǒng)的安全性和可靠性均

4、都依賴于人們對系統(tǒng)中各組成部件的設(shè)計，簾線橡膠復(fù)合材料的力學(xué)特性則成為結(jié)構(gòu)設(shè)計中必須考慮的重要因素。對其研究也日趨深入。對簾線橡膠復(fù)合材料來說，其構(gòu)件在實際運用過程中常承受復(fù)雜載荷的作用，如航空器的機翼結(jié)構(gòu)和機體板就是遭受彎曲和扭轉(zhuǎn)復(fù)合應(yīng)力作用：汽車中的輪胎和電廠中的壓力容器和管道也是在兩軸或三軸應(yīng)力條件下工作的。為了保證這些工程結(jié)構(gòu)的可靠運行，必須對其進(jìn)行有效設(shè)計。為此全面評價復(fù)合材料在復(fù)雜應(yīng)力條件下的力學(xué)本構(gòu)和失效規(guī)律就非常重要和十分必要。壓電材料是一種能在電能和機械能之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換的功能性材料。自和發(fā)現(xiàn)電氣石的壓電效應(yīng)以來，壓電材料經(jīng)歷了壓電晶體、壓電陶瓷、壓電薄膜、壓電聚合物和壓電復(fù)合物

5、等發(fā)展階段，年鋯鈦酸鉛（即）的實用化運用，大大提高了壓電材料的應(yīng)用速度，是壓電材料的應(yīng)用出現(xiàn)了一個嶄新的局面，出現(xiàn)了實用的壓電陶瓷超聲換能器、音頻換能器、壓力傳感器、濾波器、諧振器以及聲表面波器件等。其在智能結(jié)構(gòu)、微機械電子系統(tǒng)、微型機器人、微型泵、壓電超聲馬達(dá)、掃描隧道顯微鏡及原子力顯微鏡等方面也得到了十分廣泛地運用。常用的壓電陶瓷有。，刀和皿等。由于這些智能陶瓷在應(yīng)用過程中可能要承受靜態(tài)、動態(tài)或循環(huán)和力載和電載荷的作用，因此出現(xiàn)了智能材料的強度、斷裂和疲勞等問題，而控制器和傳感器的安全性可靠睦要求都很高，這就需要我們對智能材料的失效有深入的理解和掌握，因此研究壓電材料的失效規(guī)律具有很重要的

6、意義。第章緒論研究現(xiàn)狀橡膠復(fù)合材料粘彈性能的研究復(fù)合材料是一種很復(fù)雜的材料體系，其復(fù)雜性不僅在于它的各向異性，還在于其微觀上的不均勻性，橡膠復(fù)合材料也是一樣。定載荷時，材料的伸長隨著時間的增加而增大，這就是蠕變，而定伸長時，作用在固體粘彈性材料上的載荷隨時間的增加而減小，這就是材料的應(yīng)力松弛。在特定復(fù)合材料的硫化過程中，粘彈性對復(fù)合材料的殘余應(yīng)力的重新分布起到了主要的作用。在加載時，載荷可以從具有粘彈性的基體材料轉(zhuǎn)移到能承載的纖維增強材料上，如沒有這個性能，則基體就很容易開裂。因】研究了單向環(huán)氧對稱角鋪設(shè)層板的應(yīng)力松弛行研究了）（和聚乙烯管的蠕變試驗，發(fā)現(xiàn)蠕變?nèi)?，研究了試件體積與粘彈性特對橡膠

7、復(fù)合材料的粘彈性能研究也主要局限于單向蠕變和松弛性能研了大量的研究工作。馬浩提出了線粘一非線彈基本假設(shè)，應(yīng)用此研究復(fù)合材料的粘彈性是非常重要的，在高負(fù)荷、長久承載和循環(huán)載荷作用下，就必須考慮復(fù)合材料的粘彈性。為。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，時間和加載速率對聚合物基復(fù)合材料的力學(xué)性能有重要影響：量極大的依賴于所施加的應(yīng)力：征函數(shù)之間的相互關(guān)系，體積增加對粘彈性特性的影響類似于提高溫度所產(chǎn)生的影向：和研究了層板的蠕變性能，他們建立了一種分析模型，用于優(yōu)化層板的蠕變特性；仲偉虹等【副避開了復(fù)雜的本構(gòu)關(guān)系推導(dǎo)及蠕變過程中應(yīng)力、應(yīng)變的疊代計算，研究了施加不同預(yù)應(yīng)力及含不同膠粘劑的層板（時的蠕變特性：多方向纏繞的管狀試件將

8、表現(xiàn)出粘彈性行為。和對在雙向軸拉伸一內(nèi)壓載荷作用下的±玻璃纖維習(xí)：氧管的粘彈性行為進(jìn)行了研究，試驗結(jié)果表明，加載速度可能會影響復(fù)合材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系和失效模式。究，雙向蠕變和松弛性能的研究還未見報道。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的馬浩【“、張秋華”、劉宇艷等人對橡膠復(fù)合材料在單向載荷條件下的粘彈特性做理論，研究了人造絲增強橡膠復(fù)合材料的本構(gòu)特性；在橡膠復(fù)合材料靜態(tài)粘彈特性的基礎(chǔ)上，張秋華研究了人造絲增強橡膠復(fù)合材料的縱向沖擊拉伸特性，通過大量的不同沖擊速度、不同溫度下的高速拉伸沖擊試驗，對人造絲第章緒論纖維增強橡膠復(fù)合材料的粘彈特性進(jìn)行了研究：劉宇艷針對橡膠復(fù)合材料的力學(xué)特點，自行建立了適于該材料

9、的疲勞測試系統(tǒng)，首次實現(xiàn)了疲勞試驗中材料載荷、變形、溫度、滯后損失等的實時監(jiān)測，為橡膠復(fù)合材料疲勞特性的研究奠定了基礎(chǔ)。本文將在單向粘彈性研究的基礎(chǔ)上，對雙向條件下的蠕變和松弛性能進(jìn)行初步地研究和探討，為橡膠復(fù)合材料雙向粘彈性能的理論研究提供豐富的試驗資料。橡膠復(fù)合材料本構(gòu)模型的研究最早的簾線橡膠復(fù)合材料的材料模型是和仉圳提出來的均勻模型。隨著研究的進(jìn)一步深入，和¨刮對進(jìn)行了進(jìn)一步的簡化，提出了一個適合于正交各向異性材料的均勻模型。考慮簾線的扭曲特征，和”】提出單向單層簾線橡膠復(fù)合材料的材料模型?？紤]到簾線橡膠復(fù)合材料的拉伸、彎曲和扭轉(zhuǎn)耦合效應(yīng)。和采用簾線和橡膠單元的微觀模型研究了簾

10、線復(fù)合材料的性能。，采用微極理論研究了扭曲簾線橡膠復(fù)合材料的端部效應(yīng)，該理論認(rèn)為簾線扭曲的影響可以通過其有效模量來實現(xiàn)【”，它的模量和單位長度的扭曲量存在一定的關(guān)系。橡膠復(fù)合材料細(xì)觀本構(gòu)理論的具體形式【】。在現(xiàn)有的文獻(xiàn)中，簾線增強彈性體的單極熱力學(xué)行為常被疏忽【”。但由于硫化的簾線橡膠復(fù)合材料在降溫過程中，簾線產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力常常引起整個試件的扭曲，造成試件的尺寸不穩(wěn)。因此（】提出的包括提出的簾線熱效應(yīng)的簾線增強復(fù)合材料的單極本構(gòu)方程，研究了熱載對簾線橡膠復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，其提出的熱一力學(xué)本構(gòu)方程。大變形、非線性和粘彈性是簾線橡膠復(fù)合材料的顯著特征。在一定的應(yīng)力和時間范圍內(nèi)，軟的生物組織，

11、如血管、腱、韌帶和彈性結(jié)構(gòu)，如汽車輪胎和皮帶等都表現(xiàn)出明顯的粘彈性能。因此建立橡膠復(fù)合材料的本構(gòu)模型時必須考慮它的粘彈性。和等描述了橫觀各向同性材料在非線性應(yīng)力或變形區(qū)域材料的粘彈性本構(gòu)方程?！咎岢隽诉m合于各向異性材料的三維有限變形粘彈性模型。和【對具有橡膠特征的材料粘彈性本構(gòu)模型進(jìn)行了較為系統(tǒng)的描述。法已經(jīng)得到廣泛的運用。除了法以外，馴等也提出了其它的恒溫模型。、和第章緒論最近、和等描述了腱、韌帶等纖維增強結(jié)構(gòu)的非線性粘彈性行為?！薄恳部紤]了纖維增強復(fù)合材料粘性。在有限變形條件下，【采用本構(gòu)模型描述了纖維增強復(fù)合材料的粘彈性行為。其假定各向異性自由能函數(shù)可以模擬纖維增強復(fù)合材料。這種方法考慮

12、了纖維和基體的相互作用及兩種纖維和基體材料等材料的粘彈性能，但只考慮材料的等溫粘彈性。在等溫和等容條件下，）采用著名的超彈性應(yīng)變能方程和非線性粘性方程，提出了各向異性材料的大變形粘彈性本構(gòu)模型。以上研究都是從宏觀或細(xì)觀的角度研究了簾線橡膠復(fù)合材料的本構(gòu)理論，由于簾線結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，采用細(xì)觀方法研究其本構(gòu)方程顯得很困難，尤其是相關(guān)參數(shù)的確定更加不容易。本文將在考慮材料大變形和粘彈性的基礎(chǔ)上，忽略了簾線橡膠復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)，通過將自由能函數(shù)引入到橡膠復(fù)合材料的本構(gòu)研究中，提出了建立簾線橡膠復(fù)合材料宏觀本構(gòu)模型的新方法。橡膠復(fù)合材料的失效模式和準(zhǔn)則橡膠復(fù)合材料是種特殊的復(fù)合材料，在研究其失效模式和準(zhǔn)則的

13、時候很有必要了解一般復(fù)合材料的失效形式和判據(jù)?？萍脊ぷ髡咭呀?jīng)對一般復(fù)合材料失效模式和準(zhǔn)則進(jìn)行了大量的研究。和研究了±。碳環(huán)氧復(fù)合材料管的宏觀和微觀失效機理；和”通過碳環(huán)氧管（±）試驗發(fā)現(xiàn)，如果層合結(jié)構(gòu)的失效模式是纖維控制，則基體裂紋并不影響纖維的失效應(yīng)變；和“】的研究表明：軸向應(yīng)力和環(huán)形失效應(yīng)力有很大關(guān)系，增加軸向應(yīng)力可以提高層板的環(huán)形失效強度；和，對碳環(huán)氧管（。）進(jìn)行了研究，提出了最大纖維應(yīng)變失效準(zhǔn)則、漸進(jìn)失效模型和非線性的基體剪切模型，在多重應(yīng)力條件下，檢驗了基體失效；和研究了編織碳環(huán)氧復(fù)合材料的強度和失效；和】等分析了軸向周向應(yīng)力比、加載速率對玻璃纖維環(huán)氧復(fù)合材料管的

14、應(yīng)力一應(yīng)變曲線、損傷積累和失效模式的影響，建立了雙向應(yīng)力和應(yīng)變失效曲線：，和，等【】對碳纖維環(huán)氧復(fù)合材料管斷裂現(xiàn)象和失效機理進(jìn)行了分析。根據(jù)雙向載荷比的不同，提出了三種失效模式及其相應(yīng)的失效機理，通過顯微方法對斷面進(jìn)行了觀測，研究了微觀失效與雙向載荷比的關(guān)系。試驗結(jié)果表明，當(dāng)雙向載荷比較小時，影響材料性能的因素主要是基體的強度、結(jié)合部位的粘接強度和纖維與基體的均勻分布，當(dāng)雙向載荷比較大時，纖維強度是主要第章緒論因素。研究表明，雙向拉伸載荷比對一般復(fù)合材料的失效模式、失效強度、斷裂應(yīng)變和應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系有很大的影響。預(yù)測一般復(fù)合材料單向?qū)影迤茐牡氖Ю碚撌欠浅ＸS富的，學(xué)者們提出了很多失效準(zhǔn)則【?！?/p>

15、。其中強度理論最多，它主要包括簡單的應(yīng)力準(zhǔn)則如早期的提出的最大應(yīng)力理論、以適用于金屬材料的屈服準(zhǔn)則、適用于各向異性材料的準(zhǔn)則、以張量形式表達(dá)的準(zhǔn)則和對不同的失效模式進(jìn)行區(qū)分的和準(zhǔn)則。其中以張量形式表達(dá)的強度失效準(zhǔn)則預(yù)測結(jié)果更準(zhǔn)確，且表達(dá)方式不隨坐標(biāo)系的變化而改變，因而使用更方便，更加容易被人們所接受。但它卻沒有考慮復(fù)合材料失效模式。以不變量或能量的方法來建立復(fù)合材料的強度失效準(zhǔn)則也是很有效的方法，這方面的研究不是很多，還需要不斷的完善和發(fā)展。簾線橡膠復(fù)合材料的失效機理是很復(fù)雜的。在復(fù)合材料加工過程中產(chǎn)生的瑕疵、過載和熱力學(xué)性能下降使橡膠材料常常發(fā)生失效。一些學(xué)者采用鋼絲尼龍增強的模型系統(tǒng)，研究

16、了簾線橡膠復(fù)合材料在單軸拉伸條件下失效模式。和在單軸拉伸載荷條件下，研究了雙層簾線橡膠層合板疲勞斷裂，第一次觀察到了纖維一基體界面的脫粘失效。等【在研究尼龍增強復(fù)合材料在單向循環(huán)載荷條件下力學(xué)性能時，發(fā)現(xiàn)簾線一基體界面脫粘存在臨界載荷，當(dāng)循環(huán)拉伸應(yīng)力超過這臨界載荷時，簾線一基體的界面脫粘失效模式發(fā)展成為基體的開裂和分層，最后導(dǎo)致整個復(fù)合材料的失效；、和等也觀察和分析了材料的這些斷裂失效機理。由于單向?qū)影迨菍雍习宓幕緲?gòu)造單元，為了建立復(fù)合材料層合板的失效準(zhǔn)則和失效機理，對單層板的研究顯得格外的重要，人們已經(jīng)對復(fù)合材料單向?qū)影宓氖?zhǔn)則提出了很多不同的模型（，。對纖維增強塑料的雙向強度理論進(jìn)行了

17、全面細(xì)致的描述。，和，等對預(yù)測纖維增強聚合物復(fù)合材料板的現(xiàn)有失效理論進(jìn)行了全面的比較。對簾線橡膠復(fù)合材料來說，有關(guān)失效的研究雖然很多，但都集中在材料的疲勞分析，在分析中也沒有給出失效判據(jù)。由于在復(fù)雜載荷條件下，對簾線橡膠復(fù)合材料力學(xué)性能研究的很不充分，制約了對材料進(jìn)行深入的失效研究，有關(guān)簾線橡膠復(fù)合材料失效研究發(fā)展也非常緩慢，為了準(zhǔn)確的分析簾線橡膠復(fù)合材料的失效，通過研究簾線橡膠復(fù)合材料的基本結(jié)構(gòu)一單層板的斷裂失效行為，提出能預(yù)測簾線橡膠材料失效的判據(jù)是十分必要的。因此對簾線橡膠復(fù)合材料的失效研究還需要進(jìn)一步深入。筇章緒論壓電材料斷裂特性的理論和實驗研究壓電材料是一種能在電能和機械能之間進(jìn)行轉(zhuǎn)

18、換的功能性材料。隨著年鋯鈦酸鉛（即）的實用化運用，使壓電材料的應(yīng)用出現(xiàn)了一個嶄新的局面。常用的壓電陶瓷有，丁和等。智能結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性近來越來越受關(guān)注，而鐵電材料的裂紋生長就是一個穩(wěn)定性和可靠性相關(guān)的話題。壓電材料的斷裂力學(xué)研究包含裂紋壓電體在機電載荷作用下的損傷機理和破壞規(guī)律，建立裂紋的斷裂準(zhǔn)則和尋求材料的增韌的途徑，為壓電元件的可靠性分析和優(yōu)化設(shè)計提供理論依據(jù)。和】首先運用本征函數(shù)展開法分析了橫觀各向同性壓電體中的三微半無限長裂紋問題，發(fā)現(xiàn)了裂紋尖端的應(yīng)力場和電位移場具有的奇異性：”使用函數(shù)法研究了無限大各向異性壓電介質(zhì)中的扁平橢圓裂紋問題，也發(fā)現(xiàn)了紋尖端的應(yīng)力場和電位移場具有的奇異性，而且只

19、有垂直于裂紋面的電場強度才對應(yīng)力強度因子有影響。裂紋壓電體的裂紋尖端場和斷裂參數(shù)的計算是壓電材料斷裂力學(xué)的基本研究內(nèi)容，首次基于壓電材料斷裂的路徑無關(guān)積分建立了電焓能量釋放率或裂紋擴(kuò)展力的計算公式，他的研究結(jié)果表明，對于給定的機械載荷（應(yīng)力或應(yīng)變），裂紋是否擴(kuò)展將取決于電載荷的大小和類型（電位移和電場強度），僅有電場作用時，裂紋擴(kuò)展力為負(fù)值，可以通過調(diào)節(jié)力與電載荷的相對值控制裂紋的擴(kuò)展。等叫應(yīng)用變換和奇異積分方程技術(shù)求解了條形域中的壓電反平面裂紋問題，計算的結(jié)果表明，應(yīng)力強度因子和能量釋放率隨條寬和裂紋長比值的減小而增大?！繎?yīng)用方法和位錯密度法研究了一般各向異性壓電介質(zhì)的二維裂紋問題，橫觀各向

20、同性壓電材料的計算表明，電載荷總是降低能量釋放率即抑制裂紋的擴(kuò)展，按最大拉應(yīng)力破壞準(zhǔn)則，某些力電載荷下裂紋可能出現(xiàn)偏析或分叉。和根據(jù)材料的斷裂體現(xiàn)為一機械的物理背景，提出了以機械應(yīng)變能釋放率作為裂紋失穩(wěn)判據(jù)的斷裂準(zhǔn)則，分析了電載對應(yīng)變能釋放率的影響，分析的結(jié)果表明，應(yīng)變能釋放率為電載荷的線性函數(shù)，增加或降低取決于電載荷的方向。年，”】從線性壓電本構(gòu)關(guān)系出發(fā)進(jìn)行了斷裂力學(xué)分析；】針對線性壓電材料應(yīng)用了能量函數(shù)得到本構(gòu)關(guān)系，并利用能量平衡得到了微裂紋擴(kuò)展能量；】將線彈性斷裂力學(xué)的定義推廣到壓電材料中，研究了第章緒論電場對壓電材料斷裂強度的影響，證實了在無限大電場作用下可能止裂的現(xiàn)實；等，求解了條形

21、壓電材料的反平面裂紋問題，發(fā)現(xiàn)應(yīng)力強度因子和能量釋放率隨條寬和裂紋長度之比的減少而增大。等【剮基于經(jīng)典的的塑性屈服模型，考慮到由于壓電材料的電力耦合結(jié)果而產(chǎn)生的電致屈服，分析并得到了沿不同初始極化方向上加載情況的積分；和進(jìn)一步考慮了鐵電材料的這種電致斷裂強度的非線性；】則將的能量平衡方程推廣應(yīng)用到鐵電、介電陶瓷的破壞失效問題上，運用模型對晶粒結(jié)合完好情況下的破壞失效問題進(jìn)行了分析，給出了破壞阻力；最近，和”“”埽艮據(jù)實驗觀察的結(jié)果，考慮到疇極化轉(zhuǎn)動與裂紋的相互作用，采用權(quán)函數(shù)的方法給出了由于疇變對外載產(chǎn)生的屏蔽效應(yīng)，并分析了表觀斷裂韌性與電疇取向以及外加電場和力場的關(guān)系，進(jìn)而分析了鐵電材料的電

22、致疲勞。和【”提出了能量密度因子的概念，理論預(yù)測結(jié)果表明：正電場有助于裂紋的擴(kuò)展，負(fù)電場卻阻止裂紋的擴(kuò)展。對鐵電陶瓷材料的強度和斷裂的首次實驗研究可以追溯到和”，。和引。和采用雙扭轉(zhuǎn)方法研究了電場對材料中次臨界裂紋生長的影響，他們發(fā)現(xiàn)在未極化的試件中，電場增加了垂直于電場的裂紋的積累。而在極化試件中卻沒有發(fā)現(xiàn)電場是否促進(jìn)還是阻止裂紋的擴(kuò)展?！緦Π▊鲗?dǎo)和絕緣裂紋效應(yīng)的斷裂和介電破壞過程進(jìn)行了論述。最近等，“】對電場對裂紋生長的影響進(jìn)行了系統(tǒng)的實驗研究。和采用預(yù)制的裂紋研究了電場引起的疲勞裂紋生長；等【】對循環(huán)載荷下的斷裂行為進(jìn)行了討論。在以前的工作中，在力電耦合載荷的作用下，鐵電材料的斷裂強度

23、常作為電場的函數(shù)。為了研究電場對斷裂行為的影響，人們對裂紋方向垂直于極化方向的多種陶瓷材料進(jìn)行了實驗研究?！啊扛鶕?jù)總能量釋放率準(zhǔn)則研究了電場對裂紋的影響，結(jié)果表明電場總是阻止裂紋的生長；采用最大周向應(yīng)力準(zhǔn)則，和¨的研究表明在正電場條件下的裂紋增長比在負(fù)電場條件下的裂紋增長要小。和對丁一試件進(jìn)行了刻痕實驗，正電場降低了材料的表面斷裂韌性，負(fù)電場則使材料的表面斷裂韌性增加。和”“】采用頸向拉伸法和三點彎曲法對壓電陶瓷材料的類型裂紋和混合型裂紋進(jìn)行了斷裂實驗研究，測量了在不同電場作用下的材料破壞載荷，發(fā)現(xiàn)隨著正電場的增加，材料的破壞強度下降，而第章緒論隨負(fù)電場的增加，破壞載荷卻增加，所得的

24、結(jié)果和和¨”的研究結(jié)果是一致的。而和采用維氏壓痕方法，研究了在力場和電場作用下，軟的壓電陶瓷材料。的力學(xué)特性。研究發(fā)現(xiàn)，正電場抑制裂紋的擴(kuò)展，而負(fù)電場促進(jìn)裂紋的擴(kuò)展。等【揭?！薄坷镁S氏壓痕法對鐵電材料的研究表明，鐵電材料的斷裂韌性具有各向異性，材料斷裂韌性沿極化方向比垂直于極化方向的要高。等¨”】的研究表明，鐵電材料的破壞經(jīng)歷了放電、微裂紋的產(chǎn)生與宏觀破壞等三個過程。實驗表明，鐵電材料的斷裂行為呈各向異性并隨外加場變化的主要原因是由于鐵電疇在外場作用下發(fā)生極化轉(zhuǎn)動（包括新疇的成核和疇壁的運動擴(kuò)展）引起的。由于在外場的作用下，發(fā)生疇極化轉(zhuǎn)動將引起疇附近的局部區(qū)域應(yīng)力分布不均

25、勻，而導(dǎo)致在某些方向上呈拉應(yīng)力、而在另一些方向上呈壓應(yīng)哦力，因而將促使裂紋擴(kuò)展或閉合，產(chǎn)生的微裂紋可能會沿一定的方向擴(kuò)展。和三點彎曲實驗發(fā)現(xiàn)的三點彎曲強度隨電場絕對值的增加面下降，他們認(rèn)為這是由于壓電和疇轉(zhuǎn)換變形產(chǎn)生的晶粒間的內(nèi)在應(yīng)力所引起的；等【通過試驗證實了電疲勞是由于外電場引起內(nèi)部的微裂紋的萌生、擴(kuò)展，最后導(dǎo)致鐵電材料的電疲勞，從而是材料失效破壞。和”采用三點彎曲實驗對試件的研究卻發(fā)現(xiàn)無論是正電場還是負(fù)電場，鐵電材料的破壞強度都下降，而且正電場作用時下降明顯。和負(fù)電場相比，正電場使更多的試件部分在低處斷裂，即：電場的存在總能阻礙裂紋的擴(kuò)展。為了解釋電場對鐵電陶瓷斷裂強度的影響，人們提出了

26、很多理論模型。和”】采用裂紋尖端的帶飽和模型研究了電非線性對斷裂行為的影響，結(jié)果表明壓電材料的斷裂強度線性依賴于所加的電場；等【基于經(jīng)典的的塑性屈服模型，考慮到由于壓電材料的電力耦合結(jié)果而產(chǎn)生的電致屈服，分析并得到了沿不同初始極化方向上加載情況的積分；和【”進(jìn)步考慮了鐵電材料的這種電致斷裂強度的非線性；”則將的能量平衡方程推廣應(yīng)用到鐵電、介電陶瓷的破壞失效問題上，運用模型對晶粒結(jié)合完好情況下的破壞失效問題進(jìn)行了分析，給出了破壞阻力；和【叭研究了在力電耦合載荷的作用下鐵電材料中的轉(zhuǎn)換硬化現(xiàn)象，它們通過裂紋尖端的疇轉(zhuǎn)換引起的裂紋尖端應(yīng)力因子的變化來估算材料強度的變化。結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著電場的變化，斷裂強

27、度會呈現(xiàn)對稱性變化；和?！扛鶕?jù)疇轉(zhuǎn)換模型在力電耦臺載荷的作用下精確地評估了各向異性鐵電體的強度變化；和】根據(jù)實第章緒論驗觀察的結(jié)果，考慮到疇極化轉(zhuǎn)動與裂紋的相互作用，采用權(quán)函數(shù)的方法給出了由于疇變對外載產(chǎn)生的屏蔽效應(yīng)，并分析了表觀斷裂韌性與電疇取向以及外加電場和力場的關(guān)系，進(jìn)而分析了鐵電材料的電致疲勞；采用能量釋放率和疇轉(zhuǎn)換模型可以對和】的壓痕斷裂結(jié)果進(jìn)行解釋。上面的每一個模型都可以對特定的鐵電材料在實驗中觀察到的斷裂行為給出理論上的解釋。從以上的工作可以看出，對于每一種材料，電場對斷裂強度的影響都是不同的，如果不考慮電場的方向，對不同的陶瓷材料，電場可能會增加或降低材料的斷裂強度，這表明在電

28、場作用下，材料的斷裂強度的變化可能是由材料的性能所控制的。壓電材料的失效研究最近智能壓電陶瓷等多功能材料越來越受到人們的關(guān)注，這些智能材料制成的結(jié)構(gòu)元件已廣泛用于傳感和控制等領(lǐng)域，由于這些智能陶瓷在應(yīng)用過程中可能要承受靜態(tài)、動態(tài)或循環(huán)和力載和電載荷的作用，而這些智能材料除了具備基本的功能特征以外，還要求材料具有較高的力學(xué)性能，因此出現(xiàn)了智能陶瓷材料的強度和斷裂等問題，由于這些壓電陶瓷很脆，強度較低，而控制器和傳感器的安全性可靠性要求都很高，因此研究智能壓電陶瓷材料的失效規(guī)律很有必要。有關(guān)壓電材料的斷裂問題?？蒲泄ぷ髡咭呀?jīng)提出了很多壓電材料的斷裂準(zhǔn)則。多年前，等【”通過引入電能量釋放率和場強度因

29、子，將能量釋放率和應(yīng)力強度因子等斷裂力學(xué)概念推廣應(yīng)用到壓電陶瓷領(lǐng)域；和”通過試件和彎曲板對陶瓷的斷裂準(zhǔn)則進(jìn)行了研究，討論了應(yīng)力強度因子、總能量釋放率和應(yīng)變能釋放率作為斷裂準(zhǔn)則的差異，他們認(rèn)為，斷裂是個力學(xué)過程，提出僅僅采用能量中的機械應(yīng)變能量釋放率作為失效判據(jù)，實驗結(jié)果表明機械應(yīng)變能釋放率（）可以做為壓電失效準(zhǔn)則的失效參數(shù)，而應(yīng)力強度因子和總能量釋放率在預(yù)測非傳導(dǎo)裂紋的失效是不合適的；等【”以電屈服裂紋的能量釋放率為基礎(chǔ)提出了新的失效準(zhǔn)則，然而在這模型中卻沒有考慮疇轉(zhuǎn)換的影響。等考慮疇轉(zhuǎn)換損耗采用能量平衡法提出了新的失效準(zhǔn)則，但他們僅僅提出了這種方法，結(jié)果和等”的結(jié)果是一樣的。和提出了能量密度

30、因子的概念。它認(rèn)為當(dāng)?shù)臅r候，裂紋開始擴(kuò)展：”提出了采用局部應(yīng)變能密度函數(shù)來作為預(yù)測壓電材料失效的新斷裂理論，這個理論不需要計算能量釋放率，可以處理各種類型的裂紋問題；和第章緒論等¨”每這個理論進(jìn)行了推廣，對在平面電和力載荷條件下的有限壓電固體中的橢圓形空穴或線性裂紋進(jìn)行了分析，裂紋的起始斷裂方向和極限載荷都可以通過總能量密度因子來預(yù)測。等【”根據(jù)實驗中測得的的材料斷裂曲線，提出了在力電耦和載荷作用下，導(dǎo)電裂紋的斷裂準(zhǔn)則。對導(dǎo)電裂紋，斷裂曲線是應(yīng)力強度因子和電場強度因子的函數(shù)。和【”等根據(jù)彈性體中的模態(tài)理論，提出了全新的適合于壓電介質(zhì)的模態(tài)能理論，在該理論中考慮了各種模態(tài)能對材料破壞的

31、貢獻(xiàn)，認(rèn)為當(dāng)所有獨立的模態(tài)應(yīng)變能中有一個達(dá)到其自身的臨界值時，材料將發(fā)生破壞失效，即模態(tài)理論：并假設(shè)各階模態(tài)應(yīng)變能的線性組合構(gòu)成材料某一點的整體模念能量，當(dāng)壓電體的破壞和鐵電體的疇變是不同模態(tài)變形能的線性組合達(dá)到臨界值時發(fā)生的，即模態(tài)理論：他們根據(jù)壓電材料一斷裂實驗結(jié)果對提出的理論進(jìn)行了驗證，得到了比較好的結(jié)果，但由于試驗數(shù)據(jù)較少，該理論還有待于進(jìn)一步的驗證。迄今為止，有關(guān)正確的斷裂準(zhǔn)則還沒有一個最后的結(jié)果，因為在以電場作為函數(shù)分析在實驗中得到的斷裂強度的時候，理論和實驗的結(jié)果總存在差異或相反的趨勢。還需要傲進(jìn)步的研究工作。由于力電耦合效應(yīng)，鐵電材料的分析是非常復(fù)雜的，因此發(fā)展能分析系統(tǒng)宏觀耦

32、合效應(yīng)的數(shù)值方法，模擬結(jié)構(gòu)和材料的耦合效應(yīng)是非常有必要的。和”】建立了熱，電，磁和彈性材料的變分理論；和，”】提出了分析電收縮裝置中電收縮變形的有限元方法；和】應(yīng)用有限元軟件包分析了壓電陶瓷中的裂紋擴(kuò)展。和【冽引用基本的平衡方程提出了可用于有限元分析的電一力學(xué)勢能函數(shù)，并且還考慮了去極化對鐵電材料的影響。文獻(xiàn)”川】采用四節(jié)點和八節(jié)點壓電單元處理力電裂紋問題，取得了比較好大效果。主要研究內(nèi)容本文在以前試驗研究的基礎(chǔ)上，利用以前的試驗結(jié)果，對橡膠復(fù)合材料的大變形粘彈性本構(gòu)方程和失效規(guī)律進(jìn)行了更深入地研究；同時針對智能結(jié)構(gòu)中強度和斷裂等問題，研究了在力電耦合場作用下，智能陶瓷材料的破壞規(guī)律。因此本文

33、的內(nèi)容主要包括以下幾個部分：（）簾線橡膠復(fù)合材料的本構(gòu)模型的建立。針對現(xiàn)有本構(gòu)模型存在一些問第】章緒論題，考慮到簾線橡膠復(fù)合材料的大變形和粘彈性等特性，本文將通過宏觀的方法能量法，建立一個適合于的簾線橡膠復(fù)合材料的大變形粘彈性本構(gòu)模型，為從宏觀上研究大變形粘彈性橡膠復(fù)合材料本構(gòu)模型提供了一種新途徑。（）簾線橡膠復(fù)合材料雙向拉一拉失效的研究。為了較準(zhǔn)確地設(shè)計簾線橡膠復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)，本章將在深刻理解單層復(fù)合材料的應(yīng)力狀態(tài)、簾線的應(yīng)變和角度變化，以及斷裂行為的基礎(chǔ)上，建立適合于簾線橡膠復(fù)合材料的拉伸失效預(yù)報模型。由于條件的限制，本章僅僅對簾線橡膠復(fù)合材料的雙向拉伸性能和失效機理進(jìn)行深入地研究，并建立

34、相應(yīng)的簾線橡膠復(fù)合材料雙向拉伸失效的拉一拉失效準(zhǔn)則，其他條件下的失效研究還有待進(jìn)一步展開。（）為了研究在力一電耦合條件下，智能陶瓷材料的破壞規(guī)律，建立了新的力一電耦合系統(tǒng)，為研究壓電陶瓷材料的斷裂破壞規(guī)律奠定了基礎(chǔ)。（）通過實驗的方法，考慮了壓電智能材料中的力一電耦合效應(yīng)，研究了電場對智能材料破壞的影響；采用有限元分析的方法，分析了壓電陶瓷破壞時缺口尖端的應(yīng)力和電場分布：對匡等】提出的模態(tài)應(yīng)變能失效理論進(jìn)行了驗證。第章簾線橡膠復(fù)合材料雙向粘彈性能的研究：引言簾線橡膠復(fù)合材料的運用十分廣泛，其典型的構(gòu)件如輪胎，軟管等橡膠復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在工程運用中常承受復(fù)雜載荷的作用，在輪胎等橡膠復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計

35、、分析和計算過程中需要大量的力學(xué)參數(shù)，由于橡膠復(fù)合材料雙向試驗的復(fù)雜性，以前人們只能采用橡膠復(fù)合材料的單向力學(xué)性能來預(yù)測輪胎等結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。而非柔性復(fù)合材料的雙向試驗結(jié)果表明”】，雙向載荷條件下復(fù)合材料的力學(xué)性能與其單向力學(xué)性能有明顯的差異，用單向力學(xué)性能參數(shù)預(yù)測復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能勢必會產(chǎn)生教大的誤差，對于簾線橡膠復(fù)合材料，這一差異會更加突出當(dāng)。橡膠復(fù)合材料是由增強材料和韌性橡膠基體組成，它在加載和卸載過程中顯示出與時間和溫度相關(guān)的力學(xué)特性，即使在室溫條件下也可以觀察到顯著的松弛和蠕交現(xiàn)象。為了確切地表示和描述不同材料隨時間、溫度等因素而發(fā)生變化的力學(xué)性能，必須采用理論和試驗相結(jié)合的研究

36、方法，通過數(shù)學(xué)的概念、經(jīng)過分析和數(shù)學(xué)處理而表示成一定形式的關(guān)系式或方程，即粘彈性本構(gòu)關(guān)系。因此為了優(yōu)化設(shè)計輪胎等橡膠復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)，研究在復(fù)雜載荷條件下，橡膠復(fù)合材料的雙向蠕變和松弛規(guī)律就顯得非常迫切。本章將以尼龍簾線橡膠復(fù)合材料為代表，對橡膠復(fù)合材料的雙向蠕交和松弛等力學(xué)特性進(jìn)行了深入地研究。并基于雙向松弛試驗研究得到的橡膠復(fù)合材料粘彈性力學(xué)行為，提出適合描述其在雙向載荷條件下力學(xué)響應(yīng)的本構(gòu)模型。為了表述的方便，在此定義了縱向和橫向的概念，縱向指的是纖維方向；橫向指的是垂直于纖維方向。雙向蠕變和松弛規(guī)律的研究由于簾線橡膠復(fù)合材料十字形雙向拉伸試件具有結(jié)構(gòu)簡單，容易制造和價格低廉，可以很方便地

37、旋加所需的雙向載荷等優(yōu)點，因此，在研究橡膠復(fù)合材料的雙向蠕變和松弛等力學(xué)特性時，選擇了簾線橡膠復(fù)合材料的十字形試件。試件的成型采用熱壓成型方法。成型溫度”，成型壓力，成型時間分鐘。為了防止試件在硫化成型時簾線的流動，在成型時，試件都施加了公斤的預(yù)張力。尼龍簾線橡膠復(fù)合材料的十字形試件的幾何尺寸如圖一所示。其厚度是，簾線的直徑，試驗區(qū)域。圖簾線橡膠復(fù)合材料十字型試件相關(guān)的復(fù)合材料板的剛度參數(shù)為：，”。在簾線橡膠復(fù)合材料板的雙向蠕變和松弛試驗中，數(shù)據(jù)的采集是由同步驅(qū)動器來完成的。整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的工作過程如圖所示。圖雙向拉伸試驗中數(shù)據(jù)的采集和處理系統(tǒng)試驗時，兩個載荷傳感器和兩個位移傳感器將試驗中每

38、個時刻的數(shù)據(jù)都實時地傳送給同步驅(qū)動器，由它來完成雙向載荷、雙向變形以及載荷第章竄線，檬駿復(fù)臺材料雙向粘彈性能的研究和變形的同步采集。試驗時兩路位移信號和載荷信號通過交換電路變成士的電壓信號后同時送入同步驅(qū)動器，同步后的信號經(jīng)采集卡以數(shù)據(jù)文件的形式進(jìn)入計算機，在計算機中經(jīng)“載荷一電壓轉(zhuǎn)換系數(shù)”程序?qū)㈦娦盘栟D(zhuǎn)換為載荷數(shù)據(jù)文件及變形數(shù)據(jù)文件。整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的工作過程如圖所示。雙向蠕變規(guī)律的研究雙向蠕變試驗是在室溫下進(jìn)行，為了能比較簾線橡膠復(fù)合材料的雙向蠕變性能與單向蠕變性能之間的差異，分別進(jìn)行了單向蠕變試驗和雙向蠕變試驗。橡膠復(fù)合材料的單向蠕變試驗曲線如圖所示。（）縱向圖尼龍，橡膠復(fù)合材料的單向蠕

39、變規(guī)律、橫向其中縱向單向蠕交時的恒載荷為、；橫向單向蠕變時的恒載荷為、。其中縱向指的是纖維方向，橫向是垂直于纖維方向。從圖可以發(fā)現(xiàn)，在單向蠕變試驗中，隨著載荷水平的提高，尼龍一簾線橡膠復(fù)合材料縱向（）和橫向（）的應(yīng)變也隨之提高：在各種應(yīng)力水平下，蠕變趨勢是相同的，在恒定應(yīng)力作用下，縱向應(yīng)變及橫向應(yīng)變都隨時間不斷增加，這說明尼龍簾線橡膠復(fù)合材料是與時間相關(guān)的材料，即具有粘彈性，是一種典型的粘彈性復(fù)合材料。在對尼龍簾線橡膠復(fù)合材料的雙向蠕變實驗中選擇了幾組縱向恒載荷（、）和橫向恒載荷（、）來研究尼龍一簾線橡膠復(fù)合材料的雙向蠕變規(guī)律。盯圖尼龍橡膠復(fù)合材料的縱向蠕變性能（）盯圖尼龍艨膠復(fù)合材料的橫向蠕

40、變行為圖表示橫向載荷（、）對材料縱向（、）蠕變性能的影響；圖表示縱向載荷（、）對材料橫向（、）蠕變性能的影響。由圖和圖可以發(fā)現(xiàn)，簾線橡膠復(fù)合材料在雙向載荷作用下，也表現(xiàn)出明顯的蠕變特性；對尼龍簾線橡膠復(fù)臺材料來說，雙向蠕變的應(yīng)變與兩個方向的應(yīng)力都有關(guān)系。當(dāng)縱向載荷保持恒定時，隨著橫向載荷水平的提高，級向應(yīng)變有所減小。這是由于試驗中選擇的級向載荷遠(yuǎn)大于橫向載荷，因此縱向應(yīng)變對橫向載荷的變化并不敏感，見圖，即對不同的橫向載荷，縱向應(yīng)變變化范圍并不大；如果選擇的縱向和橫向載荷很接近的話，則，橫向載荷對縱向的蠕變影響將會很大。當(dāng)橫向載荷保持恒定時，隨著縱向載荷水平的提高，橫向應(yīng)變相應(yīng)減小，見圖。由于選

41、擇的橡膠復(fù)合材料的縱向載荷遠(yuǎn)高于橫向承載的載荷，因此，縱向載荷對橫向應(yīng)變影響較大，縱向載荷越高，橫向應(yīng)變就越小。從圖（，）還可以看出：雙向蠕變時的橫向應(yīng)變低于相應(yīng)的單向蠕變的橫向應(yīng)變，這是由于縱向載荷對橫向蠕變抑制所引起的。雙向松弛規(guī)律的研究恒定應(yīng)變下的應(yīng)力松弛試驗也是驗證聚合物基復(fù)合材料的粘彈性行為的一種重要試驗手段。試驗在室溫條件下進(jìn)行?？v向松弛選取四組應(yīng)變，即、，橫向選取五組應(yīng)變，即、。簾線橡膠復(fù)合材料的縱向和橫向單向松弛曲線如圖所示。圖尼龍橡膠橡膠茸合材料的單向松弛規(guī)律一第章簾線橡膠復(fù)合材料雙向粘彈性能的研究從圖中可以看出，在單向松弛試驗中，隨應(yīng)變水平的提高，相應(yīng)的應(yīng)力也逐漸提高；當(dāng)縱

42、向或橫向應(yīng)變恒定時，應(yīng)力總是在開始階段隨時間顯著減小，而后逐漸趨于平穩(wěn)，趨于某一固定值，這也說明尼龍簾線橡膠復(fù)合材料是典型的粘彈性材料。由于橡膠復(fù)合材料常受到復(fù)雜的常應(yīng)變載荷作用，因此研究材料的雙向松弛規(guī)律就顯得很有必要。本文通過雙向松弛試驗，揭示了尼龍簾線橡膠復(fù)合材料的雙向松弛規(guī)律。不同應(yīng)變水平下，尼龍簾線橡膠復(fù)合材料的雙向松弛性能見圖至圖所示。圖時橡膠復(fù)合材料的松弛性能圖。時橡膠復(fù)合材料的松弛性能第章簾線，橡膠復(fù)合材料雙向粘彈性能的研究仁】圖時橡膠復(fù)合材料的松弛性能（）（）圖時橡膠復(fù)合材料的松弛性能（）（圖：時橡膠復(fù)合材料的松弛性能第章簾線橡膠復(fù)合材料雙向粘彈性能的研究暑皇盥塑（）（圖占時

43、橡膠復(fù)合材料的松弛陛能（）（）霉一一機竺忡竺：囂；篙享！戮一曲。鵂圖：時橡膠復(fù)合材料的松弛性能（）圖：時橡膠復(fù)合材料的松弛性能第章簾線增膠復(fù)臺材料皿向粘彈性能的研究圖。：時橡膠復(fù)合材料的松弛性能從圖至圖中可以看出，簾線橡膠復(fù)合材料在雙向載荷作用下，也表現(xiàn)出明顯的松弛特性。在雙向拉伸條件下，橡膠復(fù)合材料的松弛時的應(yīng)力水平和縱、橫向的應(yīng)變水平有一定的關(guān)系。對相同的橫向應(yīng)變，其橫向應(yīng)力隨縱向應(yīng)變水平的提高而有明顯增大。這是由于對相同的橫向應(yīng)變，縱向應(yīng)變越大，相應(yīng)的縱向載荷越大，而縱向載荷由使橫向應(yīng)變減小的趨勢，橫向應(yīng)變?nèi)粢３植蛔?，橫向力就一定會增大。因此縱向應(yīng)變越大，縱向力對橫向的影響就越大，橫向應(yīng)力就越高。而對相同的縱向應(yīng)變，縱向應(yīng)力也隨橫向應(yīng)變水平的提高而相應(yīng)增大，但由于橫向應(yīng)變所對應(yīng)的橫向力和縱向力相比較小，對縱向力學(xué)性能的影響也很有限。當(dāng)縱向應(yīng)變很小的時候（如），橫向變形對縱向應(yīng)力的影響較大，這是由于橫向的拉伸載荷和縱向應(yīng)力相差很小，橫