電子材料固體力學（簡體書）

本教材將分為上、下兩冊共10章，上冊1-5章是材料固體力學基礎部分，下冊6-10章是結合電子材料應用的力學理論提高部分。本教材將從下面兩個方面開展：
第一部分主要介紹材料固體力學基礎，首先闡述材料的基礎力學性能，包括彈性和塑性的基本預備知識；然後依次闡述應變理論、應力理論和彈性本構關係，這是彈性力學的關鍵理論知識，適用於所有連續、完全彈性、均勻、各向同性且位移和形變是微小的固體介質之中。繼而，分別從宏觀破裂力學和微觀破裂力學的角度闡述斷裂力學基礎知識。
第二部分主要介紹各類載荷作用下的材料固體力學理論，結合電子信息材料的制備過程和服役條件，闡述熱應力、電場作用下的材料力學行為。繼而針對金屬材料中的非彈性變形展開介紹。在此基礎上，綜合前面的彈塑性力學理論，對薄膜力學和元器件力學進行分析闡述。

楊麗，西安電子科技大學領軍教授，長江學者、國防卓青，主持國家自然科學重大項目課題、面上（3項）、青年，裝發預研基金重點、國防技術基礎等項目。研究成果出版專著《熱障塗層破壞理論與評價技術》（排名2，科學出版社）、“The Macro- and Micromechanical Properties”（排名2，The CRC Press），出版國家精品教材1部、國家精品課程實驗配套教材1部；在包括固體力學和材料領域國際頂尖期刊J Mech Phys Solids，Int J Solids Struct，Mech Mater，Corrosion Sci等在內的期刊上發表論文91篇；以第一完成人制定國軍標1套（含11個標準）；授權美國美國發明專利1項，國家發明專利36項。獲湖南省自然科學一等獎（排名1，2020年）、湖南省青年科技獎（2016年）、國防科學技術發明二等獎（排名3，2017年）、湖南省自然科學一等獎（排名3，2014年）、湖南省教學成果一等獎2項（排名2，2016年；排名3，2019年）等獎勵。

本書擬作為建設以電子信息為特色的材料學科用系列教材之一。根據“關於深化本科教育教學改革全面提高人才培養質量的意見”——推進高水平教材編寫使用中的細則，做好馬克思主義理論研究和建設工程重點教材統一使用工作，推動教材體系向教學體系轉化。本教材符合新時代教學改革的發展趨勢。此外，在內容上，不僅形成了面向各類材料研究的材料固體力學的基礎理論，還以電子信息材料中的力學問題、力學中的電子信息為主線貫穿全書，並結合了21世紀薄膜電子材料、電子元器件的前沿發展設立了薄膜力學和元器件力學章節，這在國內外所有教材體系中均為首創，將新時代對電子材料的基礎理論部分很自然地融入到本教材中，具有一定的時代性和前沿性。

電子信息產業是彰顯國家現代化、科技進步、經濟水平、綜合實力與核心競爭力的重要標志。它以前所未有的速度從國家新興產業、支柱產業發展成為大國崛起乃至世界競爭的制高與搶占產業。以電子、光子及相互作用而實現信息產生、傳輸、存儲、顯示、探測及處理的電子材料，是各類電子元器件、電子系統與裝備（即電子信息產業）的基礎與先導，被列為國家信息化戰略發展以及工程科技材料領域的核心基礎。培養電子材料特色的高水平材料類應用型及研究型人才，是確保我國電子材料基礎與先導能力、支撐電子信息產業崛起甚至世界領先的必然要求，也被國務院學位委員會辦公室列為新材料類人才培養的急缺方向。

材料學科是於1957年提出，並逐漸形成以研究材料成分、結構、制備、性能與應用的新興學科。它有三個重要特性： 一是“科學”和“工程”結合，既需要基礎研究，又需要應用研究； 二是多學科交叉，需要和物理、化學、冶金學、計算科學（包括數學）等學科相互融合與交叉； 三是發展中的學科，材料的種類繁多、日新月異，其基礎理論、關鍵技術甚至學科基礎都不盡相同。我國材料科學起源於金屬、陶瓷、高分子等結構材料，科學研究與產業技術相對成熟，材料類人才培養也形成了金屬、陶瓷、高分子等三大特色體系，相應的教材也是圍繞這三大體系所需的晶體結構、相圖、加工、表征、服役等知識體系而建設。

利用電子運動效應及其受力、熱、光、電、磁等載荷而發生性質改變的電子材料，表現出與金屬、無機非、高分子顯著不同的幾大特性。一是顯著依賴物理學科的基礎理論與研究方法。電子材料不僅僅需要了解電子運動的電動力學、統計物理、量子力學等基礎物理理論，電子裝備、系統與元器件的微小化還高度依賴於電子相對論效應、原子層級的電子相互作用等，同時還需要發展電子、原子層級的實驗表征方法。二是尤其需要微觀結構與宏觀性能關聯的理論與方法。電子運動尤其是原子層級電子材料中電子的運動，微觀上需要掌握只有幾個原子層厚度的二維材料的刻畫理論與表征方法，宏觀上又往往體現在信息的存儲、傳輸、轉換等性能，現代電子材料的性能極其依賴微觀設計與調控機理，迫切需要微觀結構與宏觀性能關聯的理論與方法。三是電子材料要應用於電子元器件與系統，需要掌握數字電路、模擬電路、集成電路以及電子元器件等相關的原理、理論與方法。因此，現有從金屬、無機非、高分子等研究需求出發的材料類教材體系，不能完全適應和滿足電子材料的人才培養需求。

基於電子材料類人才培養的重要性、迫切性以及現有教材體系的不適應性，我們從電子材料類人才培養的化學、物理、材料科學、表征、計算以及器件知識需求出發，邀請了國內長期從事材料學科人才培養以及電子材料研究的教育工作者，編著了這套面向本科生的電子材料系列教材，包括《電子材料科學基礎》《電子材料理論物理導論》《電子材料化學》《電子材料固體力學》《電子材料計算》《電子材料信息科學與技術導論》《電子材料表征技術》等，涵蓋了電子材料的基礎理論、設計制備、表征方法、服役行為及其器件與系統基礎等各個方面，為電子材料類人才培養提供系統、完整的教材體系。同時，這套教材也凝練了電子材料的前沿創新成果，也可成為研究生、科研工作者以及產業界工程技術人才的參考用書，為推動電子材料領域人才培養、科學研究以及產業發展奠定堅實基礎。

中國科學院院士、西安電子科技大學教授郝躍
2024年6月

第1章緒論
1.1材料科學與工程
1.1.1材料及其研究意義
1.1.2材料科學與工程的內涵
1.1.3材料科學與工程的屬性
1.2電子材料及其發展趨勢
1.2.1電子材料的定義與分類
1.2.2電子材料在國民經濟中的地位與發展現狀
1.2.3電子材料的發展趨勢
1.3電子材料對固體力學提出的需求與挑戰
1.3.1電子材料對固體力學的需求
1.3.2電子材料對固體力學的挑戰
1.4內容概述

第2章材料的基本力學性能
2.1材料的主要力學性能
2.1.1材料在拉伸時的力學性能
2.1.2材料在壓縮時的力學性能
2.1.3材料在扭轉時的力學性能
2.1.4材料在彎曲時的力學性能
2.2材料基本力學性能的測試
2.2.1材料拉伸性能的測試
2.2.2材料壓縮性能的測試
2.2.3材料扭轉性能的測試
2.2.4材料彎曲性能的測試
2.2.5材料剪切性能的測試
2.2.6材料基本力學性能測試方法的應用新進展
習題

第3章應變理論
3.1位移和應變
3.1.1張量的概念及求和約定
3.1.2位移的描述
3.1.3變形的描述
3.2應變張量的性質
3.2.1應變分量的坐標變換
3.2.2主應變
3.2.3應變張量的不變量
3.2.4應變主坐標系
3.2.5最大剪應變
3.2.6等傾線正應變
3.2.7八面體剪應變
3.2.8球形應變張量和應變偏量張量
3.3應變協調方程
3.4由應變求位移
3.4.1線積分法
3.4.2直接積分法
3.5柱面和球面坐標系中的幾何方程
習題

第4章應力理論
4.1外力和應力
4.1.1外力的表示
4.1.2應力
4.1.3應力分量
4.2平衡微分方程和剪應力互等定律
4.3任意斜面上的應力和應力邊界條件
4.4應力分量轉換公式
4.5主應力和應力不變量
4.6球形應力張量和應力偏量張量
4.7最大剪應力和八面體剪應力
4.8應力狀態和應力圓
4.9柱面坐標系和球面坐標系中的應力分量和平衡微分方程
4.9.1柱面坐標系
4.9.2球面坐標系
習題

第5章彈性本構關係
5.1廣義胡克定律
5.1.1各向同性條件下的廣義胡克定律
5.1.2各向異性彈性體的廣義胡克定律
5.2應變能與應變余能
5.2.1彈性應變能
5.2.2線彈性情況
5.2.3應變余能
5.3虛功原理和最小勢能原理
5.4李茲法和迦遼金法
5.5彈性力學問題的微分提法
5.6位移解法
5.7應力解法
5.8疊加原理
5.9平面問題及其求解
5.9.1平面問題的本構方程
5.9.2平衡微分方程和協調方程
5.9.3幾何方程和邊界條件
5.9.4位移解法
5.9.5應力解法
5.9.6應力函數解法
5.9.7其他計算公式
5.10用直角坐標解平面問題
5.10.1用多項式解平面問題
5.10.2用傅裡葉級數解平面問題
5.11極坐標中的平面問題
5.11.1基本方程
5.11.2軸對稱問題
5.11.3非軸對稱問題
習題

第6章非彈性變形
6.1屈服條件
6.1.1簡單拉伸的實驗結果
6.1.2應力空間，π平面
6.1.3屈服條件，屈服曲面
6.2兩個常用的屈服準則
6.2.1特雷斯卡屈服準則
6.2.2米澤斯屈服準則
6.2.3屈服條件的實驗驗證
6.3彈塑性應力應變關係的特點及幾種理想模型
6.4加卸載條件和加載曲面
6.4.1理想塑性材料的加載和卸載
6.4.2強化材料的加載條件以及加載和卸載準則
6.4.3幾種簡化加載曲面
6.5本構關係的增量理論
6.5.1德魯克強化公設
6.5.2塑性位勢理論和理想塑性材料的增量本構關係
6.5.3光滑加載面的塑性增量本構關係
6.6簡單加載時的全量理論
6.6.1簡單加載和單一曲線假定
6.6.2簡單加載定理
6.7簡單彈塑性問題
6.7.1梁的彈塑性彎曲問題
6.7.2桿件的彈塑性扭轉
6.7.3旋轉圓盤
6.7.4軸對稱平面問題
6.7.5厚壁球殼
6.7.6例題
習題

第7章均質材料斷裂力學
7.1傳統強度理論和裂紋的分類
7.1.1傳統強度理論的局限性
7.1.2裂紋的三種類型
7.2韋斯特加德應力函數
7.3Ⅰ型裂紋尖端附近的彈性應力場
7.3.1雙向拉伸
7.3.2單向拉伸
7.4Ⅱ型裂紋和Ⅲ型裂紋尖端附近的彈性應力場
7.4.1Ⅱ型裂紋
7.4.2Ⅲ型裂紋
7.5應力強度因子及其解析求解
7.5.1應力強度因子
7.5.2普遍形式的復變函數法
7.5.3積分變換法
7.5.4求應力強度因子的疊加原理及常用應力強度因子資料
7.6應力強度因子的權函數求法
7.7求應力強度因子的數值法
7.7.1邊界配位法
7.7.2有限單元法
7.8求應力強度因子的實驗法
7.9小範圍屈服下的塑性修正
7.9.1小範圍屈服下裂紋尖端的塑性區
7.9.2有效屈服應力與塑性約束系數
7.9.3應力松弛對塑性區的影響
7.9.4應力強度因子KⅠ的塑性修正
7.9.5線彈性斷裂力學的適應範圍
7.10斷裂判據和斷裂韌性
7.10.1應力強度因子斷裂準則
7.10.2裂紋擴展的能量準則
7.10.3斷裂韌性和臨界斷裂應力
習題

第8章熱應力
8.1變形體的熱力學基礎
8.2熱彈性體的本構關係
8.3熱彈性基本方程及其求解
8.4平面熱應力問題
8.5板中的熱應力
8.6熱衝擊和熱衝擊阻抗的估算
8.6.1臨界應力理論
8.6.2熱衝擊阻抗統計理論
8.7耦合熱彈性問題
習題

第9章薄膜的力學性能
9.1薄膜概述
9.2薄膜楊氏模量和應力應變關係
9.2.1薄膜的彈性模量
9.2.2薄膜的應力應變關係
9.3薄膜的殘余應力
9.3.1殘余應力的來源
9.3.2殘余應力的測量
9.4薄膜的界面斷裂韌性
9.4.1膜與基底界面間結合類型
9.4.2界面斷裂韌性的測量方法
9.5鐵電薄膜的斷裂與極化
9.5.1鐵電薄膜斷裂的概念
9.5.2鐵電薄膜斷裂性能表征
9.5.3非等雙軸失配應變下外延鐵電薄膜的極化
9.5.4外延鐵電薄膜中退極化對極化態的影響
9.6可延展性薄膜的屈曲
9.6.1可延展性薄膜的概念
9.6.2彈性基底上波浪狀單晶硅帶狀物的制備
9.6.3可延展性薄膜的屈曲分析
9.6.4可延展性薄膜的應用
習題

第10章電介質材料固體力學
10.1介質的極化及連續介質力學理論
10.1.1介質的極化和各向同性介質
10.1.2各向異性介質
10.1.3基於極化能量密度得到電位移矢量與電場強度的關係
10.2電介質極化的對稱性與獨立介電常數
10.2.1晶體的介電常數
10.2.2七大晶系晶體的介電常數
10.3介電極化機制的簡單理論模型
10.3.1電子位移極化
10.3.2離子位移極化
10.3.3固有電矩的轉向極化
10.4電極化的非線性效應
10.4.1非線性介電張量
10.4.2折射率橢球
10.4.3電光效應
習題

第11章壓電材料固體力學
11.1壓電效應
11.1.1正壓電效應
11.1.2逆壓電效應
11.2壓電常數與對稱性
11.2.1晶體的對稱性與電偶極矩分布
11.2.2α石英晶體的對稱性與壓電性
11.2.3鈦酸鋇晶體的對稱性與壓電性
11.2.420個晶體點群與壓電陶瓷的壓電常數矩陣
11.3壓電晶體的切割
11.3.1切割符號的規定
11.3.2酒石酸鉀鈉晶體的切割
11.3.3α石英晶體的切割
11.4鈦酸鋇z切割晶片的壓電方程
11.4.1壓電方程的簡單推導
11.4.2邊界條件
11.4.3第二類壓電方程組
11.4.4第三類壓電方程組
11.4.5第四類壓電方程組
11.5各類壓電方程組的常數之間的關係
11.5.1各類壓電方程組的常數之間的關係式
11.5.2二級壓電效應
11.5.3夾持介電常數與自由介電常數
11.5.4短路彈性柔度常數sE11和開路彈性柔度常數sD11
11.6一般情況下的壓電方程組
11.6.1一般情況下的壓電方程組以及各常數之間的關係
11.6.2舉例說明表11.6.1和表11.6.2中各類關係式
11.6.3鈦酸鋇晶體、鈮酸鋰晶體、壓電陶瓷的第一類方程組
11.6.4幾點注意
11.6.5壓電方程組的熱力學推導
11.7機電耦合系數
11.7.1薄長條片的機電耦合系數
11.7.2細長桿的機電耦合系數
11.7.3平面機電耦合系數
11.7.4厚度切變機電耦合系數
習題

第12章鐵電體材料固體力學
12.1鐵電體的連續介質力學理論
12.1.1熱力學基本方程
12.1.2外界對鐵電體所做的功
12.1.3鐵電體的熱力學關係
12.2鐵電體的電致伸縮與壓電效應
12.2.1鐵電體的電致伸縮方程
12.2.2鐵電體的壓電方程
12.3鐵電體的自由能與相變
12.3.1二級相變
12.3.2一級相變
12.3.3臨界相變
12.4反鐵電體的自由能與相變
12.4.1二級相變
12.4.2一級相變
12.4.3結果討論
12.5動力學性質
12.6彌散相變
12.7熱釋電系數與電卡系數
習題

第13章電磁材料固體力學
13.1電磁場的麥克斯韋方程組
13.2電磁介質的物理方程
13.2.1電磁介質的物理描述
13.2.2磁介質磁化的物理描述
13.3運動介質的麥克斯韋方程組
13.4電磁場的邊界條件
13.5電磁能量與坡印亭定理
13.6電磁場位函數
13.7磁性材料的分類
13.8鐵磁材料的疇結構
13.9鐵磁體的變形機制
13.9.1磁致伸縮的變形機制
13.9.2磁致形狀記憶效應的機制
13.10基於內變量理論的各向異性唯象本構模型
13.10.1初始力磁耦合屈服面測量
13.10.2基本方程
13.10.3唯象本構理論框架
13.10.4各向同性力磁耦合屈服面
13.10.5各向異性力磁耦合屈服面
13.11磁學單位與量綱
習題

參考文獻