Phase-field modeling of fracture in ferroelectric materials

Abstract

The unique electro-mechanical coupling properties of ferroelectrics make them ideal materials for use in micro-devices as sensors, actuators and transducers. Nevertheless, because of the intrinsic brittleness of ferroelectrics, the optimal design of the electro-mechanical devices is strongly dependent on the understanding of the fracture behavior in these materials. Fracture processes in ferroelectrics are notoriously complex, mostly due to the interactions between the crack tip stress and electric fields and the localized switching phenomena in this zone (formation and evolution of domains of different crystallographic variants). Phase-field models are particularly interesting for such a complex problem, since a single partial differential equation governing the phase-field accomplishes at once (1) the tracking of the interfaces in a smeared way (cracks, domain walls) and (2) the modeling of the interfacial phenomena such as domain-wall energies or crack face boundary conditions. Such a model has no difficulty for instance in describing the nucleation of domains and cracks or the branching and merging of cracks. Furthermore, the variational nature of these models makes the coupling of multiple physics (electrical and mechanical fields in this case) very natural. The main contribution of this thesis is to propose a phase-field model for the coupled simulation of the microstructure formation and evolution, and the nucleation and propagation of cracks in single crystal ferroelectric materials. The model naturally couples two existing energetic phase-field approaches for brittle fracture and ferroelectric domain formation and evolution. The finite element implementation of the theory is described. Simulations show the interactions between the microstructure and the crack under mechanical and electro-mechanical loadings. Another objective of this thesis is to encode different crack face boundary conditions into the phase-field framework since these conditions strongly affect the fracture behavior of ferroelectrics. The smeared imposition of these conditions are discussed and the results are compared with that of sharp crack models to validate the proposed approaches. Simulations show the effects of different conditions, electro-mechanical loadings and media filling the crack gap on the crack propagation and the microstructure of the material. In a third step, the coupled model is modified by introducing a crack non-interpenetration condition in the variational approach to fracture accounting for the asymmetric behavior in tension and compression. The modified model makes it possible to explain anisotropic crack growth in ferroelectrics under Vickers indentation loading. This model is also employed for the fracture analysis of multilayer ferroelectric actuators, which shows the potential of the model for future application. The coupled phase-field model is also extended to polycrystals by introducing realistic polycrystalline microstructures in the model. Inter- and trans-granular crack propagation modes are observed in the simulations. Finally and for completeness, the phase-field theory is extended for the simulation of conducting cracks and some preliminary simulations are also performed in three dimensions. Salient features of the crack propagation phenomenon predicted by the simulations of this thesis are directly compared with experimental observations.

Los materiales ferroeléctricos poseen únicas propiedades electro-mecánicas y por eso se utilizan para los micro-dispositivos como sensores, actuadores y transductores. No obstante, debido a la fragilidad intrínseca de los ferroeléctricos, el diseño óptimo de los dispositivos electro-mecánicos es altamente dependiente de la comprensión del comportamiento de fractura en estos materiales. Los procesos de fractura en ferroeléctricos son notoriamente complejos, sobre todo debido a las interacciones entre campos de tensión y eléctricos y los fenómenos localizados en zona de fractura (formación y evolución de los dominios de las diferentes variantes cristalográficas). Los modelos de campo de fase son particularmente útiles para un problema tan complejo, ya que una sola ecuación diferencial parcial que gobierna el campo de fase lleva a cabo a la vez (1) el seguimiento de las interfaces de una manera suave (grietas, paredes de dominio) y (2) la modelización de los fenómenos interfaciales como las energías de la pared de dominio o las condiciones de las caras de grieta. Tal modelo no tiene ninguna dificultad, por ejemplo en la descripción de la nucleación de los dominios y las grietas o la ramificación y la fusión de las grietas. Además, la naturaleza variacional de estos modelos facilita el acoplamiento de múltiples físicas (campos eléctricos y mecánicos en este caso). La principal aportación de esta tesis es la propuesta de un modelo campo de fase para la simulación de la formación y evolución de la microestructura y la nucleación y propagación de grietas en materiales ferroeléctricos. El modelo aúna dos modelos de campo de fase para la fractura frágil y para la formación de dominios ferroeléctricos. La aplicación de elementos finitos a la teoría es descrita. Las simulaciones muestran las interacciones entre la microestructura y la fractura del bajo cargas mecánicas y electro-mecánicas. Otro de los objetivos de esta tesis es la codificación de diferentes condiciones de contorno de grieta porque estas condiciones afectan en gran medida el comportamiento de la fractura de ferroeléctricos. La imposición de estas condiciones se discuten y se comparan con los resultados de modelos clasicos para validar los modelos propuestos. Las simulaciones muestran los efectos de diferentes condiciones, cargas electro-mecánicas y medios que llena el hueco de la grieta en la propagación de las fisuras y la microestructura del material. En un tercer paso, el modelo se modifica mediante la introducción de una condición que representa el comportamiento asimétrico en tensión y compresión. El modelo modificado hace posible explicar el crecimiento de la grieta anisotrópica en ferroeléctricos. Este modelo también se utiliza para el análisis de la fractura de los actuadores ferroeléctricos, lo que demuestra el potencial del modelo para su futura aplicación. El modelo se extiende también a policristales mediante la introducción de microestructuras policristalinas realistas en el modelo. Modos de fractura inter y trans-granulares de propagación se observan en las simulaciones. Por último y para completar, la teoría del campo de fase se extiende para la simulación de las grietas conductivas y algunas simulaciones preliminares también se realizan en tres dimensiones. Principales características del fenómeno de la propagación de la grieta predicho por las simulaciones de esta tesis se comparan directamente con las observaciones experimentales.