王清远成都大学 铁电材料疲劳失效行为研究：从发现到应用的一个世纪

引文格式

陈宇、周华健、谢劭雄、徐谦、朱建国、王清源。铁电材料的疲劳失效行为。力学进展, 2023, 51(4): 755-791

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陈Y，周HJ，谢SX，徐Q，朱JG，王Q Y。 , 2023, 51(4): 755-791 #

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研究背景

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晶体铁电性的发现正好是一个世纪前的事，对世界产生了巨大的影响。以钛酸钡（BT）、钛酸铅（PT）、锆钛酸铅（PZT）、钛酸锶钡（BST）、铌酸镁铅-钛酸铅（PMN-PT）等为代表的铁电材料由于其独特的机械性能、电学、热学、光学、声学和化学性质及其相互耦合或转换函数（介电/压电/热释电/畸变电效应、线性/非线性/光伏/光催化/光激发效应、声子重正化效应等），它广泛应用于从日常生活到尖端技术的许多领域。 #

图1 铁电体的电滞回线和铁电畴的极化反转过程

铁和电已有数百年历史，且历久弥新。铁电材料在各个应用领域发挥着不可替代的作用，目前仍在积极研究中。特别是在航空航天、核电等重大装备技术领域，作为高温传感/驱动/能量收集装置的敏感材料，高居里温度的铋层状结构铁电（BLSF）陶瓷在复杂负载环境下表现良好。疲劳失效问题严重限制了器件寿命和可靠性的提高。然而，目前大多数铁电材料的疲劳失效研究仍然集中在单力疲劳、电疲劳或热疲劳上。关于多场耦合下疲劳的研究并不多王清远成都大学，特别是BLSF陶瓷的研究更是少之又少。学者们系统总结了各种复杂载荷环境下宏观疲劳行为和微观失效机制的实验和理论研究成果。

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结果介绍

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论文作者此前对最具代表性的BLSF材料之一：高温压电陶瓷的疲劳失效行为和高温断裂机制进行了深入研究。在此研究的基础上，本文作者首先查阅了大量国内外相关文献，综述了铁电材料在热、机械、电载荷及其耦合作用下的疲劳失效行为的研究现状。重点研究铁电材料受力疲劳过程中的止裂机理、电畴翻转变化的电疲劳本构模型、热疲劳过程中畴壁性能的动态变化规律以及铁电材料的宏观效应在各种物理领域。讨论了铁电材料的微观响应和关联机制等几个关键问题王清远成都大学，得出铁电材料疲劳裂纹扩展与电畴极化反转相互作用机制的研究是揭示其疲劳失效机理的关键。论文最后根据当前铁电材料的一些新进展和新应用对铁电材料未来的研究方向进行了展望，为高性能、长寿命铁电/压电器件的设计提供参考。 #

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图解指南 #

图2 铋层状结构铁电（BLSF）陶瓷在工程应用中的疲劳破坏

图3 论文作者获得的高温压电陶瓷在不同应力载荷下的疲劳寿命（SN）曲线：（a）小棒冲压（，2023，44：20432-20440），（b）三点弯曲(, 2023, 44: 16768-16765) #

图4 论文作者揭示的高温压电陶瓷在不同温差（ΔT）下热冲击后的失效断裂特征（in：, 2023, 31: 248-254） #

图5 作者分析陶瓷电域结构的3D-PFM图（Acta, 2023, 188: 228-240）

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图6 铁电材料对各种物理场的宏观和微观响应及其相关机制 #

尽管铁电材料的疲劳现象已被发现数十年，但许多问题至今仍存在争议，如铁电畴壁的粘弹性、微观电畴演化的成核速率、电极界面处的阳离子迁移等。材料物理化学和固体力学仍需探索。特别是，振动能量收集器中使用的压电材料的疲劳失效机制仍不清楚。这些也是今后研究工作需要重点关注和彻底厘清的一些关键问题。

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研究团队介绍 #

成都大学王清源教授研究团队成立于2023年，致力于材料物理与化学、固体力学、微电子等相关学科的跨学科研究。研究中心现有骨干科研人员14人（其中博士生导师1人，硕士生导师3人），硕士研究生近50人。研究中心占地面积近600平方米，拥有各类仪器设备总价值2800万。拥有4个实验室，分别从事航空航天结构材料冲击动力学研究、高性能压电铁电材料与器件研究、材料物理化学与微纳结构表征分析、材料超长寿命四个方向疲劳和断裂研究。承担国家级科研项目14项，省部级科研项目10项，总经费超过700万。迄今为止，已发表学术论文50余篇，授权发明专利3项。热忱欢迎国内外高校优秀青年博士加盟。联系方式：陈宇（）。 #

关于这本杂志

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《力学进展》创刊于1971年，是由中国科学院主管、中国科学院力学研究所和中国力学学会共同主办的综合性学术期刊。它专注于发表力学领域的高水平评论文章。目前该期刊已被EI、CSCD等数据库收录。据《中国学术期刊影响因子年度报告》最新数据显示，该刊综合影响因子为2.13，位居国内力学期刊第一。 #

2023年起，《力学进展》季刊出版。期刊专栏包括：

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1. 研究评论：发表评论和批判性稿件，且作者确实对所评论的主题进行了深入的研究；

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2、科研传播：快速、简短地报道原创、新颖的科研成果； #

3.前沿焦点：对近期国内外热点的个人研究工作进行简要总结和评述；

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4. /：发表对某一研究领域的研究背景、最新进展、潜在价值等的看法和见解； #

5、动态信息：介绍国内外重要科技信息、科研项目进展、重要会议和学术活动的最新信息； #

6、力学：本栏目介绍国内外重要的力学人物和机构； #

7、翻译：本栏目刊登国外高水平力学及相关学科经典文献的译文。

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