近日，李翔宇教授团队在应用物理领域期刊《Journal of Applied Physics》在线发表了题为“Asymmetric fracture behavior in ferroelectric materials induced by flexoelectric effect”的研究成果。硕士研究生郭阳沁为论文第一作者，刘畅老师为通讯作者。
图1 论文首页
铁电材料作为一种智能材料，由于其优异的力电耦合特性，在航空航天，轨道交通，电子信息和能源领域有着广泛的应用。然而，铁电材料作为一种脆性材料，使得其在外部荷载的作用下容易产生裂纹，进而对铁电器件的性能和使用寿命造成重大影响。由于铁电材料裂纹尖端强烈的力电耦合行为，使得铁电材料的断裂行为变得复杂。近年来，一些学者对于铁电材料的断裂问题展开了大量的研究。而挠曲电效应对于铁电材料断裂机制的影响仍有待进一步讨论。
挠曲电效应描述的是应变梯度与极化之间的耦合。当铁电材料内部产生裂纹时，裂纹尖端将会产生强烈的应力集中现象，从而引起巨大的应变梯度。此时，挠曲电效应对于铁电材料的断裂行为扮演着不可忽视的作用。另外，铁电材料的断裂行为依赖于裂纹开口与极化方向之间的关系。为了研究挠曲电效应对于铁电材料各个方向断裂行为的影响，本文建立了中心带有矩形裂纹的PbTiO3纳米薄膜。采用铁电材料的相场模型，并用等几何分析的方法模拟了裂纹尖端附近的畴变。为了表征铁电材料的断裂行为，以J积分为断裂准则，研究了挠曲电效应对于铁电材料断裂韧性的影响。
图2 不考虑挠曲电效应时的极化分布
双轴拉伸荷载作用下应变梯度分布 (a)
(b)
不同方向裂纹的J积分 (a)裂纹1和裂纹2 (b)裂纹3和裂纹4
研究结果表明，挠曲电效应会打破裂纹尖端附近的畴结构分布与断裂行为的对称性。另外，本文从应变梯度的角度阐明了铁电材料断裂行为非对称的机理。研究发现由于应变梯度引起的挠曲电场会增强或者降低裂纹尖端的断裂韧性，从而使得铁电材料的断裂行为变得不对称。研究成果有利于进一步理解铁电材料的断裂行为，而挠曲电效应需要被考虑到铁电材料的设计当中。
该研究受到了国家自然科学基金-青年科学基金项目(No.: 12202370)、中央高校基本科研业务费-科技创新项目(No.: 2682022CX054)和新型交叉学科培育基金-前沿科技培育项目(No.: 2682022KJ050)的支持。
论文链接：https://doi.org/10.1063/5.0178866
