鐵電陶瓷滯后開裂機(jī)理研究

服役過程中鐵電陶瓷會受到應(yīng)力、電場和服役環(huán)境的影響，這些因素會導(dǎo)致性能隨時(shí)間逐漸劣化，對材料及器件所在線路的穩(wěn)定性及使用壽命造成不利影響。研究力－電－環(huán)境耦合作用下鐵電陶瓷的滯后斷裂機(jī)理，不僅在多場耦合理論方面有重要理論意義，對鐵電功能器件服役的可靠性也具有十分重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。. 本申請的研究內(nèi)容是，探討真空中外加電場下鐵電陶瓷是否能夠發(fā)生滯后斷裂。利用原子力顯微鏡研究力－電－環(huán)境耦合情況下裂紋的形核、擴(kuò)展與鐵電疇轉(zhuǎn)變的關(guān)系，在透射電鏡下研究裂紋形核和擴(kuò)展與鐵電疇等微觀結(jié)構(gòu)演化的關(guān)系，探討鐵電陶瓷滯后斷裂的物理本質(zhì)，以及電場、應(yīng)力、化學(xué)介質(zhì)多場耦合的機(jī)理。

1.項(xiàng)目背景：隧道修建中常遇到涌水突泥災(zāi)害，目前對非揭穿型裂隙圍巖滯后性破裂及其引起的涌水突泥機(jī)理和形成條件未給予足夠重視，導(dǎo)致許多隧道出現(xiàn)開挖掌子面后方發(fā)生較大規(guī)模的涌水突泥工程事故，造成了眾多人員傷亡和巨大財(cái)產(chǎn)損失。為此,申請面上基金項(xiàng)目“裂隙性隧道圍巖滯后性破裂及涌水突泥機(jī)理研究”，開展相關(guān)問題的研究并得到基金委批準(zhǔn)。 2.主要研究內(nèi)容：（1）依托隧道區(qū)天然地應(yīng)力及圍巖應(yīng)力分布和隧道圍巖巖石力學(xué)特性及巖體結(jié)構(gòu)；（2）隧道區(qū)水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征及水文地質(zhì)特征；（3）隧道圍巖巖體力學(xué)特性與巖體水力學(xué)結(jié)構(gòu)模型；（4）圍巖結(jié)構(gòu)性時(shí)效變形和破裂與涌水突泥機(jī)制。 3.重要成果：（1）理論與方法成果：1）小曲率或直邊隧道圍巖變形破裂逐漸向板裂化發(fā)展，形成的定向裂隙孔隙率逐漸變大；2）地下泥水逐漸向變大的定向裂隙聚集形成地下泥水壓力并逐漸增大；3)板裂化圍巖在軸向圍巖應(yīng)力和橫向地下泥水壓力作用下產(chǎn)生時(shí)效彎曲變形破裂，達(dá)到極限狀態(tài)時(shí)突發(fā)脆斷，泥水突然噴涌而出形成災(zāi)害；4)在板裂化圍巖時(shí)效彎曲變形過程中如有爆破等動力觸發(fā)，板裂化圍巖將會提前突然破裂引起涌水突泥；5）建立了圍巖板裂概化模型，推導(dǎo)了變長度、厚度及地下泥水壓力下的兩端固定，軸向圍巖壓應(yīng)力和橫向地下泥水壓力作用下的板彎曲時(shí)效變形破裂理論公式，建立了突發(fā)破裂判據(jù)，并得到原樣小模型、相似材料模型及數(shù)值模型分析結(jié)果初步驗(yàn)證。（2）論文成果：發(fā)表論文46篇，其中期刊論文45篇，會議論文1篇；檢索論文SCI論文3篇，EI論文10篇，北大中文核心期刊論文37篇；另有2篇錄用待刊。（3）專利成果：發(fā)明專利2項(xiàng)，新型專利4項(xiàng)。（4）出站博士后1名;畢業(yè)博士2名，即將畢業(yè)3名；畢業(yè)碩士17名，即將畢業(yè)2名。 4.關(guān)鍵數(shù)據(jù)及其科學(xué)意義：板裂化圍巖破裂深度是隧道小曲率或直邊墻長度的0.4-0.5倍，這對裂隙性圍巖變形破裂及涌水突泥機(jī)理認(rèn)識及引起的工程災(zāi)害評價(jià)防治具有科學(xué)意義。 2100433B

本項(xiàng)目以深埋隧洞圍巖的時(shí)效變形誘發(fā)滯后型巖爆這一關(guān)鍵科學(xué)問題為核心，基于流變力學(xué)、損傷力學(xué)、信息科學(xué)等多學(xué)科交叉的研究方法，探索深埋隧洞滯后型巖爆的誘發(fā)機(jī)理。通過卸荷蠕變變形損傷演化規(guī)律及蠕變率隨時(shí)間的發(fā)展階段特征研究，建立了反映材料流變特性的細(xì)觀本構(gòu)關(guān)系和細(xì)觀損傷演化方程?？偨Y(jié)了錦屏二級引水隧洞的巖爆發(fā)生特征，系統(tǒng)研究了影響滯后型巖爆發(fā)生的條件：內(nèi)部因素（巖石材料的蠕變效應(yīng)、非均勻性）和外部效應(yīng)（濕度擴(kuò)散、動力作用）。根據(jù)巖體破裂過程中的3S機(jī)理，建立微震監(jiān)測技術(shù)的巖爆臨界預(yù)警機(jī)制。本項(xiàng)目成果為深埋隧洞變形失穩(wěn)控制及長期穩(wěn)定性的預(yù)測提供理論和應(yīng)用基礎(chǔ)。 在本項(xiàng)目的資助下，課題組出版專著1部，申請發(fā)明專利3項(xiàng)，獲得省部級科技進(jìn)步二等獎1項(xiàng)，省部級學(xué)術(shù)成果三等獎1項(xiàng)。在國際刊物上發(fā)表論文8篇，國內(nèi)核心刊物上發(fā)表論文5篇。其中，SCI收錄論文4篇，EI收錄論文8篇，接受未刊出論文1篇（EI刊源）。培養(yǎng)博士研究生3人，碩士研究生7人。參加國際學(xué)術(shù)會議3人次。 2100433B

我國斜拉橋數(shù)量已居世界之首，索塔是斜拉橋中重要的受力構(gòu)件，調(diào)查表明，現(xiàn)役斜拉橋中大部分混凝土索塔在施工和運(yùn)營期間發(fā)生開裂，不僅影響結(jié)構(gòu)使用壽命，還埋下了嚴(yán)重的安全隱患。本項(xiàng)目擬通過現(xiàn)役混凝土橋梁的裂縫調(diào)查，統(tǒng)計(jì)分析常見裂縫的類型和形式；通過非線性有限元方法仿真分析模擬開裂過程，揭示開裂機(jī)理和裂縫擴(kuò)展規(guī)律；通過抗裂可靠度研究，為結(jié)構(gòu)抗裂性能的度量和預(yù)測提供合理的理論依據(jù)；通過參數(shù)分析，探明影響開裂的主要參數(shù)，提出防止開裂的應(yīng)對措施；通過綜合考慮抗裂應(yīng)對措施的效用和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，對索塔生命周期性能進(jìn)行優(yōu)化，為修訂相關(guān)規(guī)范條文及斜拉橋設(shè)計(jì)、管養(yǎng)決策提供理論依據(jù)。研究成果具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。