《实验力学》
电磁功能材料的多场耦合实验研究进展方岱宁2’(北京大学工学院裴永茂北京)方岱宁，1958年4月出生．教育部“长江学者奖励计划”特聘教授，北京大学“迈士通”讲习教授．国家杰出青年基金和教育部跨世纪人才基金获得者，全国百名优博导师，国务院政府特殊津贴获得者．北京大学工学院副院长、北大亿通多功能结构轻量化技术与装备保障研究所所长．在先进材料与结构的多功能设计、制备与表征、电磁固体力学与智能材料与结构力学、轻量化结构技术与装备保障等方面开展研究工作．至今已发表SCI论文130多篇，出版专著2部，获得多项国家省部级奖励．摘要将对电磁功能材料多物理场耦合性能检测技术和设备做·综述介绍，介绍如何在多物理场耦合条件下测试电磁滞回线、蝶形曲线、电磁致伸缩、应力应变曲线和磁电效应等物理力学性能，并介绍电磁功能材料在多物理耦合场作用下的新的实验现象，包括铁电材料在多轴电场和双轴力载荷作用下的电滞回线、裂纹尖端的畴变规律、磁致伪弹性、磁致伸缩的“网落”等现象．这对于理解电磁功能材料和结构在耦合场下的变形与断裂机制有重要的意义．关键词电磁功能材料，多场耦合，变形与断裂，实验力学中图分类号：0341，TB34文献标识码：A文章编号：1000—0879(2010)06—001—07ADVANCESINMULTIFIELDCoUPLEDEXPERIMENTSRESEARCH oFELECTRoMAGNETICFUNCTIoNALM』气TERIALS1)FANGDainin92)PEIYongmao(College ofEngineering，PekingUniversity，Beijing，China)AbstractThis paper will review the multi—physical fields coupled properties measurement technology and device for electromagnetic functional materials．It will be introduced how to measure thePhysical and me— chanical properties including electric／magnetic hysteresis，butterfly curve，electrostriction／magnetostriction， stress—strain curve and magnetoelectric effect andSO on under muti—physical fields coupled conditions．Then， uew phenomena under under muti—physical fields coupled conditions for electromangetic functional materials will be described，which include electric hysteresis under the multi—axial electric field and biaxial mechanical loading，domain switch rule in crack tip，magnetic—induced pseudoelasticity，magnetostriction“drop”andSO on．It has improtant meaning for understanding the deformation and fracture mechanism under coupled field for electromagnetic functional material and structure．Key words electromognetic function matorial，multifield coupled experiment，deformation and fracture，ex一1)erimental mechanics2010—1026收到第l稿，2010-11—10收到修改稿．1)国家自然科学基金资助项目(，，)2)E—maih fangdn@pku．edu．cn2力学与实践2010年第32卷引言电磁功能材料包括压电材料、铁电材料、电活性聚合物、电致伸缩材料、铁磁材料、稀土超磁致伸缩功能材料，磁致伸缩复合材料，铁磁相变材料以及磁电材料等，同时具有感知和驱动功能，即材料自身能感知环境变化，并通过改变物理参数和形状对这些变化作出最佳的响应．它的基本特征是具有力电、力磁、电磁之间的相互耦合效应，能够实现快速的能量转换．因此在现代科学技术中得到广泛的应用，如传感器、换能器、声纳、致动器、存储器、微扬声器等，从电力电子、航空航天、核能工程，到机器人智能系统、信息存储系统、智能传感系统等国民经济与国防安全领域中发挥着不可替代的再要作用[1-7]．电磁功能材料与智能结构的耦合性能指标和可靠性是评价产品质量和指导产品设计的基础，这是由于它往往应用在力一电一磁一热等多物理场耦合环境下，随着应力状态和温度场的改变，电磁功能材料的电磁物理性能，包括矫顽场、介电系数、电位移、磁化强度、磁导率、磁致伸缩系数等均会发生变化．同时，电磁功能材料的力学性能不仅受应力的影响，而且可以在电场、磁场和温度场作用下调控，表现出不同的力学行为，比如弹性模量，断裂韧性等．因此，新型电磁功能材料与结构的多场耦合力学，包括力一电一磁一热变形理论、破坏失效理论以及多场耦合实验力学等是电磁功能材料和结构力学充满生机的研究方向[1-6】．目前，实验研究滞后理论，实验结果不足在一定程度上制约了电磁功能材料与结构的多场耦合力学的发展．如何根据电磁功能材料和结构性能测试的需求，发展新型的多场耦合力学测试方法、技术和设备成为实验力学的研究热点之一．本文将综述介绍电磁功能材料多物理场耦合性能检测技术和设备，如何在多物理场耦合条件下测试电磁滞回线、蝶形曲线、电磁致伸缩、应力应变曲线和磁电效应等物理力学性能，并介绍电磁功能材料在多物理耦合场作用下的新的实验现象，包括铁电材料在多轴电场和双轴力载荷作用下的电滞回线、裂纹尖端的畴变规律、磁致伪弹性、磁致伸缩的“回落”等现象．这对于理解电磁功能材料和结构的在耦合场下的变形与断裂机制有重要的意义．1实验基本原理电磁功能材料的多场耦合实验需要测量的基本物理量包括电场强度、电位移、磁场强度、磁感应强度、应力和应变．其中应力和应变测量分别采用传统的力传感器、电测法(或光测法)，但需要进行高压绝缘和磁屏蔽设计以避免高压电场和强磁场对传感器和测量的影响．1．1电位移的测量采用传统的Sawyer—Tower电路来测量铁电陶瓷的电场强度一电位移曲线，即电滞回线，图l是Sawyer—Tower电路图．高鹾电源的输出电压为U，与待测试件G串联的标准电容％两端的电压为u。，试件的电容GrI。一般小于200 pF，标准电容的容量G至少是G的105倍，根据串联电容两端的电量相等，有Q=C。．·(U—U1)=Co·Ul(1)因此，只要测出标准电容％两端的电压u。，就可以得到试件两端的电量，电量与试件表面电极的面积之比即是电位移．H1测量铁电材料电滞回线的Sawyer—Tower电路测量标准电容G两端的电压时，由于电容功率很小，因此采用一个功率放大器置于电容co的uz端和A／D卡之间，可以把G两端的电压信号放大后再输出到A／D卡上．电容两端除分压电荷外，还有因试件极化，妒生的剩余电荷，采用高输入阻抗的功率放大器可以防止这些电荷在测量时丢失．它的另一个主要功能是具有过压自动保护，当试件被击穿或其他意外情况发生时，电容G，两端的电压有可能高达上千伏，功率放大器通过输入电路中的压敏电阻来防止高压对其内部电路造成破坏，同样防止对A／D卡造成破坏．1．2电场强度的测量由式(1)可知，标准电容％两端的电J玉u-远远小于高压电源输出电压u，因此试件两端的电压约等于电源的输出电压，式(1)简化为Q=G·U=Co·U1(2)第6期方岱宁等：电磁功能材料的多场耦合实验研究进展3电源的输出电压u由电压监控信号获得，除以试件两电极间距离即得到电场强度．1．3磁场强度的测量磁场强度是空问某点外加磁场的大小和方向，。般用日表示．磁场强度的测量根据不同的物理原理，可以分为：力和力矩法，电磁感应法，磁电效应法和共振法．Hall探头利用霍尔效应的原理可以测量静态磁场，使用简单方便．将截流半导体放置于磁场中，如果电流的方向与磁场方向垂直，则在电流的横向方向上产生电位差％，这种现象称为霍尔效应．Hall电动势uH的公式为Uu：T一，“。B13)¨其中，RH为霍尔系数，，为电流强度，d为厚度，B为磁感应强度．由于具有霍尔效应材料的磁化率远远小于1，则B≈肛oH，代入上式可得磁场强度一H=寺％(4)1．4磁感应强度磁感应强度是用来描述磁场性质的物理量，也被称为磁通量密度，常用符号B表示．根据电磁感应定律，当穿过Ⅳ匝线圈的截面的磁通量垂在△￡时间内发生改变时，将产生电动势巩=Ⅳ篙(5)采用磁通积分器可以测量在一定时间内的磁通量圣，当从t=0时的初始状态为参考点，如果在磁通积分的面积S内磁通密度是均匀的，则有B=垂／s．由于磁通积分器的信号需要对时间积分，所以在测量过程中存在零点漂移，需要渊节使其稳定后再进行测量．2多场耦合实验设备先进的科学实验手段与实验表征方法是前沿基础研究和技术创新的前提，电磁固体多场耦合力学的研究领域尤其缺乏力一电一磁一热多场耦合加载与测试方法和商业设备．经过十几年的努力，作者建立了一批具有自主知识产权的电磁固体变形与断裂的实验表征方法及测试手段，获得了一批原创性的实验成果[1-3I4．引，包括：(1)多轴多功能力一电一磁一热耦合加载与测量技术方法，发现力磁耦合场下的“伪弹性”现象和磁致伸缩“回落”现象；(2)多轴电场加载和双轴力与电场耦合加载与测量技术方法，获得多轴力电耦合非线性变形曲线；(3)含单边自然穿透裂纹DCB试件电疲劳裂纹扩展的实验测量方法，揭示了电致疲劳的电场强度门槛值，发现了电致疲劳裂纹闭合的新现象；(4)力电耦合云纹激光干涉方法，量测了铁电陶瓷三点弯试样缺口附件的变形场，获得裂纹根部张开位移与电场强度之间的定量关系；(5)铁电单晶裂纹畴变实时在位观测实验方法，获得偏振光光学显微镜下实时观测铁电单晶裂纹尖端畴变形貌和裂纹扩展行为与90。畴变的关系及其演化过程；(6)开路及闭路条件下不同极化方式的压铁电陶瓷退极化实验方法，揭示了铁电陶瓷在开路和闭路条件下的应力退极化特性差异机制；(7)中心裂纹板试件在力一电耦合载荷下的断裂实验方法，获得中心裂纹板试件在力一电耦合载荷下的断裂载荷与电场强度问的定量关系．这图2多场耦合实验没备4力学与实践2010年第32卷些科学仪器和测试方法已经在一些国内外高校和科研院所得到了应用．3多场耦合实验研究目前已经有许多科学工作者通过实验的方法对电磁功能材料的畴结构、本构关系、断裂、疲劳等各方面进行了研究．本节将介绍作者近十几年在电磁功能材料多场耦合变形与断裂实验方面的部分工作和成果．3．1铁电材料的多轴本构实验研究20世纪90年代以来，铁电材料在本构实验研究方面已经取得了一系列重要进展．Lynchl8】对铁电陶瓷在单轴压力与轴向电场耦合作用下的非线性行为进行了系统的研究，发现电滞回线和蝶形曲线依赖于应力场的变化．Burcsu[9]用偏光显微镜方法在位研究了力电耦合下单晶钛酸钡的非线性本构关系．Li等…研究了PZT陶瓷在轴向电场和侧向压力作用下的非线性行为．Lynch等[11。12]研究了PZT陶瓷在力一电一热耦合载荷作用下的变形行为．但力电耦合的本构实验研究多限于单轴情况，需要开展多轴力电耦合的本构实验．作者对极化后的PZT一5铁电陶瓷材料进行与极化方向成一定角度的切割，对不同切割角度的试件进行单轴力电耦合本构实验㈦．如图3所示，0分别为30。，60。和90。．通过对不同角度的试件进行4个周期的电循环加载实验，试件的电滞回线和蝶形曲线一般趋于稳定．实验结果分两个部分：(1)对于各个试件第1个周期中的。一1．4E。的电场一电位移，和电场一应变曲线，如图4所示；(2)各试件经过稳定循环以后的电滞回线和蝶形曲线的比较．作者进行了双轴力加载下PZT一5铁电陶瓷的力电耦合本构实验．实验结果表明在与极化轴平行和垂直的双轴压应力共同作用下，在与压缩方向平行的平面内，非180。畴变受到抑制．还通过双轴的侧向压实验，测得在90。畴变受到抑制的情况下铁电陶瓷材料的电滞回线，为畴变翻转判据和多轴本构理论发展提供了实验数据．图3成角度切割试件示意图(b)电场一应变曲线图430MPa不同极化方向第一周期3．2铁电单晶的裂尖畴变在位观测实验铁电材料是一种十分脆弱的材料，其断裂韧性仅为1MPa湎作用．力载荷容易引起铁电材料的断裂；电载荷作用也会引起材料的断裂行为——“电致断裂”和“电致疲劳”㈦从而促使人们深入研究铁电材料的失效机理，进行可靠性分析和预测，并提出相应的增韧机制．畴变是铁电材料基本特性．对于含裂纹的铁电材料，既使外加电场和应力场不足以引起铁电材料发生整体畴变，裂尖集中的应力场和电场也可能引起裂尖附近发生畴变．这些畴变影响铁电材料的断裂和裂纹扩展，所以需要对裂尖的电畴演变进行在位观测．日前观测铁电材料畴变的常用方法有偏振光显微镜(PLM)[14J，透射电镜(TEM)[15]，液晶显示㈦，扫描电声显微镜(SEAM)[17]和原子力显微镜(AFM)[18J等．近年来，这些观测方法已经被应用于裂尖畴变的研究．目前，虽然对于铁电材料裂尖畴变和裂纹扩展的实验观测取得了一定的进展，仍然缺少能够揭示电致裂尖畴变和裂纹扩展基第6期方岱宁等：电磁功能材料的多场耦合实验研究进展5本特性的在位观测实验结果．主要原因有两点：其一，初始裂纹常常是通过维氏压痕方法得到，压痕过程中所产生的内应力和裂纹的三维特性对实验结果有影响．其二，试件中通常包含多个裂纹，相邻裂纹问的相互影响不利于对实验结果进行理论分析．作者完成了在位观测极化的BaTi03单晶单边缺口试件在三点弯力载荷下裂尖畴变和裂纹扩展的实验[19-20】．当单色光通过起偏镜成为偏振光，线偏振光透过铁电单晶时，极化方向不同的电畴对线偏振光有不同的旋转作用；再经过可以区分不同振动方向的检偏镜后在显微镜下就形成了相应的电畴衬度．因此，采用偏振光显微镜方法进行电畴的在位观测．图5(a)一图5(c)是在位记录试件断裂前的裂纹扩展和相应畴变区演化(放大倍数为200)．图5(a)为裂尖附近的微畴结构(放大倍数为500)，从该图中可以观察到在裂尖前方存在针状和十字交叉的针状微畴区．由图5(a)^一图5(c)可以看到，裂纹扩展后，裂尖尾部出现宽窄相问的宏畴结构．宏观上，随着裂纹沿着缺[21延长线方向向前扩展，裂尖后方宽窄相间的宏畴区紧随着裂尖向前扩展．通过对图5(3，)～图5(c)中宽的宏畴进行编号来表示宽窄相问宏畴结构的形成顺序．在该裂纹扩展过程中，裂尖前方的微畴区变化很小．在这个实验中，作者发现了单晶试件的裂纹是以步进方式向前扩展的．在裂纹扩展的每一步中，裂纹首先沿着一个四方相的90。a—a畴界方向即[101]方向缓慢扩展，扩展方向和缺口延长线方向形成一45。的角．这个扩展过程很缓慢，持续达10分钟，称之为裂纹慢速扩展过程．当裂纹沿着『101]方向缓慢扩展很小的一段距离之后，裂尖的扩展方向忽然发生90。改变，裂纹沿着另外一个畴界方向即『101]方向快速扩展了一段距离．快速扩展一段距离后，裂尖扩展方向再次发生90。改变后缓慢扩展，慢速扩展过程开始．快速扩展过程裂纹的扩展方向和缺口延长线方向成+450角，相应的裂纹扩展过程称为裂纹快速扩展过程．在裂纹快速扩展过程结束时刻，裂纹上下岸分别形成一个窄的畴变带．在裂纹的上下岸，畴变区和相邻的未畴变区域分别形成一组宽窄相间的宏畴结构．在该过程中，虽然宏观裂纹沿着缺口延长线方向扩展，细观上裂纹交替地沿着正交的90。a-a畴界的方向向前扩展，与缺口延长线形成-t-45。角．由于BaTi03的断裂面是[101]面，宏观上沿着[001】方向扩展的裂纹沿着“之”字型路径．随着裂纹向前扩展，裂尖后方形成“之”字(b)图5裂尖畴变在位观测结果型锯齿状的断裂面形貌．3．3超磁致伸缩材料的“回落”现象铁磁体在外磁场中磁化过程中，其形状及体积均发生变化，这个现象被称为磁致伸缩效应．20世纪70年代，Clark等【21j发现Tb。Dyi。Fe2一Ⅳ(o