三元铁电单晶PIN-PMN-PT纳米压痕测试及裂尖变形场实验研究

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1、分类号:学校代码:10128UDC:学号:20151100069硕士学位论文学生类别：全日制学术型硕士研究生学科名称：物理电子学论文题目：三元铁电单晶PIN-PMN-PT纳米压痕测试及裂尖变形场实验研究英文题目：StudyonNanoindentationTechnologyandCrackTipDeformationFieldExperimentalofTernaryFerroelectricSingleCrystalPIN-PMN-PT学生姓名：李士杰导师姓名：李继军副教授二○一八年四月内蒙古工

2、业大学硕士学位论文摘要三元铁电单晶铌铟酸铅–铌镁酸铅–钛酸铅（Pb(In1/2Nb1/2O3)–Pb(Mg1/3Nb2/3)O3–PbTiO3,PIN-PMN-PT）为代表的新型铁电单晶成为功能材料领域的热门研究对象，铁电单晶已成为制造新一代高性能超声波换能器、致动器及传感器等机电器件的重要材料。但是，铁电单晶在加工、器件制作和使用过程中不可避免地会产生孔洞、裂纹等缺陷，并且铁电单晶具有固有脆性，在力、电载荷单独或协同作用下，铁电单晶中区区数微米的缺陷，常常会导致铁电单晶器件发生断裂。因此，研究铁电

3、单晶力学性能和裂纹尖端微纳尺度变形场的演化，对提高铁电单晶器件的可靠性及寿命评估具有关键意义。本文采用纳米压痕测试技术研究三元铁电单晶的力学性能，以及场发式原位扫描电镜和几何相位分析方法相结合的方式研究了材料中裂纹的萌生、扩展以及裂纹尖端变形场，主要结论为:1、通过纳米压痕测试技术，分别对三元铁电单晶（PIN-PMN-PT）三个晶面，进行了硬度、弹性模量、接触刚度的测量，并计算出每个晶面的弹性回复率，结果表明：（1）（001）晶面硬度为6.07GPa，（110）晶面硬度为6.81GPa，（111）晶

4、面硬度为6.91GPa。因此该材料的（111）晶面的硬度大于其余两个晶面，（001）晶面硬度最小。（2）（001）晶面的弹性模量为132.55GPa，（110）晶面的弹性模量为137.80GPa，（111）晶面的弹性模量为138.53GPa。因此该材料（111）晶面的弹性模量大于其余两个晶面，（001）晶面弹性模量最小。（3）接触刚度变化规律为整体上与压入深度成直线关系，随着压入深度的增加，裂纹长度与宽度越大，其中（111）晶面略大于其余两个晶面，（110）晶面次之，（001）晶面最小。（4）通过弹

5、性回复率得出，压入相同深度，（001）晶面的弹性回复率是最大的，（110）晶面次之，（111）晶面最小，因此弹性回复率较高的，硬度和弹性模量较小。（5）随着深度的不断加深，材料内部残余应力减小，压头的作用力全部作用于塑性变形，硬度值和弹性模量值逐渐减小，微观下存在明显的尺寸效应。2、对三元铁电单晶进行单轴拉伸实验，与GPA方法相结合，计算出裂纹尖端变形场，分析三元铁电单晶中的动态裂纹尖端微纳米尺度中应变场的变化。得到如下结论：（1）当载荷位移逐渐增加到2.34μm时，预制缺口处产生裂纹，随着载荷继续

6、增大裂纹逐渐扩展，基本沿着垂直于拉伸方向扩展。I内蒙古工业大学硕士学位论文（2）对于不同裂纹长度下，裂纹尖端的应变场平均应变值在1%左右变化。其中正应变、剪切应变值较小，基本趋近于零，主要由正应变来控制应变场的xxxyyy变化。该裂纹属于Ⅰ型裂纹。（3）通过GPA方法计算的图像可知，在预制缺口处，有高应变发射区，并且产生的部位与裂纹出现的部位一致，其走向也不变。关键词：三元铁电单晶；纳米压痕技术；几何相位分析；裂纹；应变场II内蒙古工业大学硕士学位论文AbstractTernaryFerroe

7、lectricSingleCrystalGalliumIndiumLead–MagnesiumPyromanganate–LeadTitanate(Pb(In1/2Nb1/2O3)–Pb(Mg1/3Nb2/3)O3–PbTiO3,PIN-PMN-PT),asNewTypeofIronElectricsinglecrystalhasbecomeapopularresearchobjectinthefieldoffunctionalmaterials.Itsapplicationrangeiswidea

8、nditisusedtoregardasimportantmaterialsinelectromechanicaldevicessuchasultrasonictransducers,actuatorsandsensors.Becauseoftheuncertaintyofferroelectricsinglecrystalintheprocessofprocessinganduse,resultinginmaterialdefects,fracture,andsoo