挠曲电效应横向系数的理论与实验技术研究

摘要

挠曲电效应是一种比压电效应更广泛存在于介电材料中的力电耦合效应。挠曲电材料具有高力电耦合系数、显著的尺度效应、绿色环保及对环境温度无特定要求等优点，有望用于传感器、作动器、结构健康监测及能量收集器等领域。因此，基于挠曲电效应的理论、实验技术研究及其材料的开发、应用日益受到人们的关注。本文以钛酸锶钡(Barium Strontium Titanate，简称BST)挠曲电材料为研究对象，从理论、实验和模拟三个方面对挠曲电效应及其横向系数进行了分析测试，主要的研究内容如下:
　　讨论了挠曲电系数张量的对称性，利用坐标变换法获得了m3m立方晶系材料的挠曲电系数矩阵表达式。基于BST挠曲电微悬臂梁结构，建立了横向挠曲电系数测定的理论模型，为实验测试提供了理论依据。
　　选用压电微驱动器、超景深三维显微镜、锁定放大器构建了横向挠曲电系数的测试平台。基于BST微悬臂梁的横向挠曲电效应，实验分析了横向挠曲电系数对驱动频率的依赖关系，并讨论了尺度效应。利用压电微驱动器的低频激振，获得了横向挠曲电系数。结果表明:挠曲电材料在传感方面呈现出明显的尺度效应。当梁的厚度减小到微纳米尺度时，其传感特性将远远优于压电材料。
　　基于变分原理，推导了挠曲电材料的PDE方程及其弱形式，并提出了一种针对挠曲电材料的有限元仿真方法。借助于多物理场耦合有限元仿真软件COMSOL Multiphysics，实现了BST材料中挠曲电效应的数值模拟，并为实验结果提供了理论验证。
　　上述研究工作可为挠曲电材料在传感及其他领域的进一步应用提供初步的理论指导和实验依据。

目录

声明

摘要

主要符号表

第一章 绪论

1．1 课题来源

1．2 研究背景

1．2．1 基于挠曲电效应的新型传感器

1．2．2 挠曲电压电复合材料

1．2．3 铁电存储器

1．2．4 液晶及聚合物中的挠曲电效应

1．3 国内外研究现状和发展趋势

1．3．1 实验应用方面

1．3．2 基础理论方面

1．4 本文研究的主要内容

第二章 挠曲电效应

2．1 引言

2．2 挠曲电效应的本构关系

2．3 挠曲电系数的唯象理论及对称性分析

2．3．1 挠曲电系数的唯象理论

2．3．2 挠曲电系数张量的对称性

2．4 本章小结

第三章 BST陶瓷的制备与性能测试

3．1 引言

3．2 实验试样的制备

3．2．1 BST粉体的制备方法

3．2．2 主要实验仪器

3．2．3 BST陶瓷的制备过程

3．3 实验试样居里温度的测定实验

3．4 实验试样密度的测定实验

3．5 实验试样弹性模量和泊松比的测定实验

3．5．1 理论依据

3．5．2 超声波测试实验

3．6 本章小结

第四章 横向挠曲电系数的实验研究

4．1 横向挠曲电系数测定的理论依据

4．1．1 悬臂梁横向振动的模态分析

4．1．2 悬臂梁的应变梯度公式

4．1．3 横向挠曲电系数计算公式

4．2 实验平台的构建

4．2．1 实验仪器

4．2．2 实验步骤

4．2．3 试样准备与实验装置

4．3 实验结果分析与讨论

4．3．1 横向挠曲电系数

4．3．2 横向挠曲电系数的频响特性

4．3．3 挠曲电材料的尺度效应

4．4 本章小结

第五章 有限元仿真分析

5．1 引言

5．2 挠曲电材料的力电耦合PDE方程

5．3 力电耦合方程的弱形式

5．4 数值模拟

5．5 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 研究展望

参考文献

致谢

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