Electric potential drops across a crack gap in piezoelectrics

压电材料裂纹间隙电势的降落研究 压电材料由于其将机械能和电能互相转换的特性，在电磁机械和电子设备中被广泛使用。随着压电材料在各种器件中的应用日益增多，了解其断裂行为对于保证智能结构的可靠性变得十分重要。然而，压电材料尤其是常用的压电陶瓷，其脆性很强，容易产生裂纹，这使得对压电材料裂纹行为的研究十分必要。本文针对压电材料裂纹的研究，尤其关注了PKHS裂纹模式，以及裂纹间隙介质介电常数对裂纹尖端参数的影响。 本文介绍了压电材料中PKHS裂纹模式下电势降落的分析。PKHS裂纹模型最早由Parton和Kudryavtsev提出，并由Hao和Shen进行了深入探讨，该模型考虑了裂纹间隙内介质的介电常数对裂纹尖端参数的影响。虽然过去十年中已有许多研究，但本文的研究提供了一些新特征，并对裂纹间隙电势降落提供了更深入的理解。基于Stroh理论，提出了一种简洁形式的替代技术，无需处理映射技术。在分析中，研究者考虑了空气或真空、硅油和NaCl溶液等不同介质填充裂纹间隙的情况，详细研究了七种压电陶瓷中裂纹间隙介质不同介电常数对裂纹开口位移跳跃（NCODJ）和电势降落（EPD）的影响。 研究结果表明，对于长度为2mm的中心PKHS裂纹，当机械加载为20MPa，电场变化范围为-1MV/m至1MV/m时，NCODJ总是非常小，约为1微米或裂纹长度的0.05%；而EPD却很大，可达到数百甚至数千伏特。此外，研究还发现裂纹间隙内的介质介电常数对NCODJ和EPD都有显著影响。 文章进一步介绍了压电材料的普遍应用背景，阐述了研究压电陶瓷断裂行为的重要性和紧迫性。压电材料的脆性使得在使用中容易出现裂纹，这直接关系到智能结构的安全性和可靠性。因此，通过研究不同压电材料裂纹行为，了解其在实际应用中的表现，对提升相关设备性能至关重要。 研究采用了数值分析方法，通过计算得到裂纹间隙内电势的变化规律，为评估裂纹对压电材料性能的影响提供了理论基础。研究人员关注的七种压电陶瓷材料，涵盖了在不同应用领域具有代表性的材料类型，其研究成果有助于深入理解压电材料的断裂机理，并为设计更可靠、更高效的压电器件提供了参考。 总体而言，该研究通过对压电材料裂纹行为的深入分析，特别是对于电势降落规律的揭示，为压电材料的损伤评估和故障预测提供了新的视角。这项工作不仅对材料科学领域，也对工程应用领域具有重要的学术价值和实际意义，标志着压电材料研究领域的重要进展。