Fracture mechanics analysis and simulations in piezoelectric quasicrystals and electromechanical crack growth experiments

PiezoelektrischeWerkstoffe, eine wichtige Klasse kristalliner Materialien, sind grundlegender Bestandenteil von intelligenten Systemen mit gekoppelten elektrischen und mechanischen Feldern. Quasikristalle stellen im Gegensatz zu den Piezoelektrika eine neue Materialklasse dar, die in gewisser Weise die Lücke zwischen kristallinen und amorphen Materialien schließt und im Rahmen der Kontinuumsmechanik durch zwei Typen von Feldern, Phonon- und Phasonfelder, beschrieben werden kann. Mittlerweile ist bekannt, dass Quasikristalle auch piezoelektrische Eigenschaften haben können und somit drei gekoppelte Feldtypen in diesen Materialien vorhanden sind. Aus technischer Sicht sind Quasikristalle und Piezoelektrika aufgrund ihrer vorteilhaften Eigenschaften interessant, was vielfältiges Anwendungspotential ermöglicht und Anlass zu intensiver Forschung gibt. Der Fokus dieser Arbeit liegt auf dem Einfluss von Kopplungseffekten der verschiedenen Felder und der elektrischen Belastung auf das bruchmechanische Verhalten. Im Zentrum der Betrachtung stehen Risspfade, anhand derer die Plausibilität von materialspezifischen Modellen, Simulationsverfahren und bruchmechanische Kriterien bewertet werden. Zu diesem Zweck werden theoretische Grundlagen im Sinne der Kontinuumsmechanik umfassend entwickelt, die Phonon-, Phason- und elektrische Felder in piezoelektrischen Quasikristallen einschließen. Die bruchmechanischen Beanspruchungsgrößen werden für die Materialien verallgemeinert und auf der Grundlage analytischer Lösungen in numerischen Methoden umgesetzt.Zur Simulation des Risswachstums mit einem Neuvernetzungalgorithmus, der auf einer adaptiven Vernetzungsstrategie in Verbindung mit Finite-Elemente-Software beruht, werden die klassischen und neu vorgeschlagenen Rissablenkungskriterien implementiert.Anhand der Simulationsergebnisse werden Einflüsse der Kopplungskoeffizienten und der Konfiguration der Proben sowie der elektrischen Belastung auf die Risspfade untersucht. Darüber hinaus werden Drei-Punkt-Biegeversuche an ferroelektrischen Proben unter verschiedenen Belastungskombinationen durchgeführt. Die experimentellen Ergebnisse und Aufnahmen des Risswachstumsprozesses mit einer Hochgeschwindigkeitskamera enthüllen bemerkenswerte Details.