Conducting crack propagation driven by electric fields in ferroelectric ceramics
Source abstract
Abstract
Ferroelectric ceramics are susceptible to fracture under high electric fields, which are commonly generated in the vicinity of electrodes or conducting layers. In the present work, we extend a phase-field model of fracture in ferroelectric single crystals to the simulation of the propagation of conducting cracks under purely electrical loading. This is done by introducing the electrical enthalpy of a diffuse conducting layer into the phase-field formulation. Simulation results show oblique crack propagation and crack branching from a conducting notch, forming a tree-like crack pattern in a ferroelectric sample under positive and negative electric fields. Microstructure evolution indicates the formation of tail-to-tail and head-to-head 90° domains, which results in charge accumulation around the crack. The charge accumulation, in turn, induces a high electric field and hence a high electrostatic energy, further driving the conducting crack. Salient features of the results are compared with experiments.
Source: openaire · Quality: candidate unverified · Source record ↗
Research context
OpenAlex topics: Numerical methods in engineering · Composite Material Mechanics · Ultrasonics and Acoustic Wave Propagation
SciVX discovery tags are terminology-based. OpenAlex topics are source-provided classifications.
References (75)
Show source-provided references
1. Uchino K, Furuta A. In: ISAF 92: proc 8th IEEE int symp appl ferroelectrics; 1992. p. 195.
2. Furuta · J Am Ceram Soc · 1993 · 76 · 161510.1111/j.1151-2916.1993.tb03950.x ↗
3. Aburatani · Jpn J Appl Phys · 1994 · 33 · 309110.1143/JJAP.33.3091 ↗
4. Lucato · Acta Mater · 2001 · 49 · 275110.1016/S1359-6454(01)00169-0 ↗
5. Koh · Ceram Int · 2004 · 30 · 186310.1016/j.ceramint.2003.12.054 ↗
6. Liu · J Intell Mater Syst Struct · 2005 · 16 · 37310.1177/1045389X05050099 ↗
7. Zhao · Int J Plast · 2010 · 26 · 53310.1016/j.ijplas.2009.09.003 ↗
8. Winzer · J Am Ceram Soc · 1989 · 72 · 224610.1111/j.1151-2916.1989.tb06069.x ↗
9. Yang · J Mech Phys Solids · 1994 · 42 · 64910.1016/0022-5096(94)90056-6 ↗
10. Hao · J Mech Phys Solids · 1996 · 44 · 2310.1016/0022-5096(95)00068-2 ↗
11. Gong · J Mech Phys Solids · 1996 · 44 · 75110.1016/0022-5096(95)00026-7 ↗
12. Ru · J Mech Phys Solids · 1998 · 46 · 130110.1016/S0022-5096(98)00038-6 ↗
13. Ru · J Mech Phys Solids · 2000 · 48 · 69310.1016/S0022-5096(99)00056-3 ↗
14. Ye · Int J Solids Struct · 2001 · 38 · 694110.1016/S0020-7683(00)00398-X ↗
15. Li · Mech Res Commun · 2003 · 30 · 34510.1016/S0093-6413(03)00036-3 ↗
16. Guo · Acta Mech Sin · 2006 · 22 · 3410.1007/s10409-005-0089-8 ↗
17. Kamlah · Cont Mech Therm · 2001 · 13 · 21910.1007/s001610100052 ↗
18. Kamlah · Int J Solids Struct · 2001 · 38 · 60510.1016/S0020-7683(00)00055-X ↗
19. Elhadrouz · Int J Eng Sci · 2006 · 44 · 99610.1016/j.ijengsci.2006.05.013 ↗
20. Lynch · Ferroelectrics · 1995 · 166 · 1110.1080/00150199508223569 ↗
21. Lynch · J Intell Mater Syst Struct · 1995 · 6 · 19110.1177/1045389X9500600206 ↗
22. Lucato · J Mech Phys Solids · 2002 · 50 · 233310.1016/S0022-5096(02)00030-3 ↗
23. Liu · Mater Lett · 2002 · 54 · 44210.1016/S0167-577X(01)00607-3 ↗
24. Lucato · J Eur Ceram Soc · 2003 · 23 · 114710.1016/S0955-2219(02)00238-8 ↗
25. Niefanger · Acta Mater · 2004 · 5 · 11710.1016/j.actamat.2003.08.034 ↗
26. Shieh · J Eur Ceram Soc · 2006 · 26 · 9510.1016/j.jeurceramsoc.2004.10.002 ↗
27. Westram · J Am Ceram Soc · 2007 · 90 · 284910.1111/j.1551-2916.2007.01737.x ↗
28. Westrain · Acta Mater · 2007 · 55 · 30110.1016/j.actamat.2006.08.029 ↗
29. Jiang · Mater Lett · 2007 · 61 · 504710.1016/j.matlet.2007.03.103 ↗
30. Jiang · Acta Mater · 2009 · 57 · 163010.1016/j.actamat.2008.12.009 ↗
31. Suo · Amer Soc Mech Eng · 1991 · 24 · 1
32. Park · J Am Ceram Soc · 1995 · 78 · 147510.1111/j.1151-2916.1995.tb08840.x ↗
33. McMeeking · Eng Fract Mech · 1999 · 64 · 21710.1016/S0013-7944(99)00068-5 ↗
34. McMeeking · Eng Fract Mech · 2004 · 71 · 114910.1016/S0013-7944(03)00135-8 ↗
35. Landis · Int J Solids Struct · 2004 · 41 · 629110.1016/j.ijsolstr.2004.05.062 ↗
36. Schneider · Annu Rev Mater Res · 2007 · 37 · 49110.1146/annurev.matsci.37.052506.084213 ↗
37. Li · Eur J Mech A – Solids · 2008 · 27 · 28510.1016/j.euromechsol.2007.08.007 ↗
38. Fu · Appl Phys Lett · 2000 · 76 · 12610.1063/1.125678 ↗
39. Zhang · Acta Mater · 2003 · 51 · 488110.1016/S1359-6454(03)00331-8 ↗
40. Zhang · Theor Appl Fract Mech · 2004 · 41 · 33910.1016/j.tafmec.2003.11.019 ↗
41. Zhang · Acta Mater · 2004 · 52 · 202510.1016/j.actamat.2003.12.046 ↗
42. Zhang · Eng Fract Mech · 2007 · 74 · 116010.1016/j.engfracmech.2006.12.012 ↗
43. Beom · Eng Fract Mech · 2009 · 76 · 239910.1016/j.engfracmech.2009.08.004 ↗
44. Suo · J Mech Phys Solids · 1993 · 41 · 115510.1016/0022-5096(93)90088-W ↗
45. Qian · Int J Solids Struct · 1998 · 35 · 212110.1016/S0020-7683(97)00168-6 ↗
46. Zhang · Acta Mater · 2004 · 52 · 201310.1016/j.actamat.2003.12.041 ↗
47. Heyer · Acta Mater · 1998 · 46 · 661510.1016/S1359-6454(98)00272-9 ↗
48. Gehrig · Acta Mater · 2008 · 56 · 22210.1016/j.actamat.2007.09.015 ↗
49. Zeng · Acta Mater · 2001 · 49 · 87710.1016/S1359-6454(00)00373-6 ↗
50. Jeong · Smart Mater Struct · 2004 · 13 · 27510.1088/0964-1726/13/2/005 ↗
51. Beom · Int J Solids Struct · 2004 · 41 · 14510.1016/j.ijsolstr.2003.07.005 ↗
52. Hwang · Acta Mater · 1995 · 43 · 207310.1016/0956-7151(94)00379-V ↗
53. Abdollahi · Acta Mater · 2011 · 59 · 473310.1016/j.actamat.2011.03.030 ↗
54. Abdollahi · Model Simul Mater Sci Eng · 2011 · 19 · 07401010.1088/0965-0393/19/7/074010 ↗
55. Abdollahi · J Mech Phys Solids · 2012 · 60 · 210010.1016/j.jmps.2012.06.014 ↗
56. Abdollahi · Int J Fract · 2012 · 174 · 310.1007/s10704-011-9664-0 ↗
57. Abdollahi · Smart Mater Struct · 2012 · 21 · 09401110.1088/0964-1726/21/9/094011 ↗
58. Griffith · Philos Trans Royal Soc Lond · 1921 · 221A · 16310.1098/rsta.1921.0006 ↗
59. Amor · J Mech Phys Solids · 2009 · 57 · 120910.1016/j.jmps.2009.04.011 ↗
60. Schneider · Acta Mater · 2003 · 51 · 223510.1016/S1359-6454(03)00027-2 ↗
61. Haeusler · Int J Fract · 2009 · 160 · 4310.1007/s10704-009-9408-6 ↗
62. Engert · J Eur Ceram Soc · 2011 · 31 · 53110.1016/j.jeurceramsoc.2010.11.006 ↗
63. Vendik · J Appl Phys · 2000 · 88 · 534310.1063/1.1317243 ↗
64. Wang · Eng Fract Mech · 2010 · 77 · 365810.1016/j.engfracmech.2010.07.007 ↗
65. Stemmer · Philos Mag A · 1995 · 71 · 71310.1080/01418619508244477 ↗
66. Floquet · J Phys III · 1997 · 7 · 1105
67. Dadvand · Arch Comput Methods Eng · 2010 · 17 · 25310.1007/s11831-010-9045-2 ↗
68. Ru · Acta Mater · 1999 · 47 · 468310.1016/S1359-6454(99)00310-9 ↗
69. Lin · Acta Mech · 2010 · 210 · 4710.1007/s00707-009-0189-9 ↗
70. Devonshire · Philos Mag · 1949 · 40 · 104010.1080/14786444908561372 ↗
71. Devonshire · Philos Mag · 1951 · 42 · 106510.1080/14786445108561354 ↗
72. Li · J Appl Phys · 2005 · 98 · 06410110.1063/1.2042528 ↗
73. Wang · J Appl Phys · 2007 · 101 · 10411510.1063/1.2733744 ↗
74. Zhang · Acta Mater · 2005 · 53 · 18510.1016/j.actamat.2004.09.016 ↗
75. Su · J Mech Phys Solids · 2007 · 55 · 28010.1016/j.jmps.2006.07.006 ↗