挠曲电效应横向系数的理论与实验技术研究

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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。
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