石墨烯功能梯度材料对微机电动力学特性的影响研究

发布时间：2020-09-12 10:39

　　 现有的微机电系统(MEMS)的核心构件的制备材料均是单晶硅、多晶硅、氧化硅、形状记忆合金等单一均质材料,其各自的电学、热学、力学、光学性能均受到了较大的限制,从而导致其微机电系统的整体性能也受到了较大的影响。如果能将石墨烯掺杂到核心构件中,并在不同的位置按不同的比例掺杂石墨烯材料,从而构建所谓的石墨烯功能梯度材料,将其用于微机电系统核心构件,必将大大提升微机电的性能。本文的研究正是抓住了这个切入点,从理论上提前研究将石墨烯功能梯度材料用于微机电系统核心构件后,微机电系统的动力学特性将发生什么样的变化,并弄清楚石墨烯掺杂比例,以及不同位置的掺杂浓度对微机电系统的动力学特性具有怎样的影响,最终拿出量化的数据。为以后满足不同使用性能要求的,以石墨烯增强功能梯度材料为核心构件的微机电系统的设计制造提供量化参考依据。本文以石墨烯增强功能梯度材料为基体的微执行器为研究对象,其主要研究内容为:(1)以Halpin-Tsai模型为基础,探讨了石墨烯增强功能梯度材料微执行器中石墨烯掺杂比例对其动力学特性的影响,从而对需要不同动力学特性的微机电系统的设计和制造提供最合理的掺杂制备方案。按照使用性能的要求,将石墨烯按不同比例掺杂到金属基或高分子基材料中的不同位置,形成石墨烯增强功能梯度材料,通过该模型量化出石墨烯掺杂比例对石墨烯增强功能梯度材料的弹性模量的影响。进而由微梁的动力学模型分析出执行器的动力响应(Dynamic response),分析出微机电系统的动力学特性。从而量化出石墨烯掺杂比例对微机电系统的动力学特性的影响,为需要不同动力学特性的微机电系统提供最合理的石墨烯掺杂比例方案,使石墨烯增强功能梯度材料微机电的优异性能得到更好地发掘。(2)采用铁摩辛柯梁模型(以W、U、ψ为位移函数)构建了基于石墨烯增强功能梯度材料的微执行器多非线性耦合(静电载荷非线性和几何非线性)动力学模型,研究其混合非线性对微执行器的动力学特性的影响。深入地分析了各种非线性因素对微执行器动力学特性的影响,从而为微执行器的设计提供更合理的理论支撑,使各种微执行器的设计更加可靠、应用更加安全。(3)微机电系统的结构尺寸在微米量级,许多在宏观条件下常被忽略的性质在微尺度下却有很明显的表现,系统与结构的力学特性表现出很强的尺度效应。本文针对尺度效应特别讨论了特征尺寸对微梁的动力学特性的影响。使其对石墨烯增强功能梯度材料的微机电系统的动力学特性有了更加全面的了解。
【学位单位】：西华大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB34;TQ127.11
【部分图文】：

虽然两次实验的实验材料和方法相同，但由于尺度的不同就会出现不同的实验结果。以上实验表明，当尺度逐渐由宏观变化至微观时，对于所有的作用力来说，其相对重要性上出现了较为明显的波动，处于微尺度时，一些表面力的作用明显增强。1.2 石墨烯的概念石墨烯，其是由碳原子以 sp 2杂化轨道所构成的六角形并呈蜂巢晶格的平面薄膜，具体结构见图 1.1。石墨烯厚度仅为一个碳原子直径大小，厚度为最小，但韧性却是最好的，同最优质的钢相比，其断裂强度是前者的 200 倍有余，此外，石墨烯的弹性也比较出色，进行拉伸时，最大幅度甚至接近自身尺寸的额 1/5；石墨烯基本上接近于透明状态，仅有2.3%的光能够被其吸收；它在排列上特别的紧致，哪怕是氨原子，也不能将其渗透。因此，研究者将石墨烯冠之以“黑金”称号，并将其誉为“新材料之王”，毫无疑问，石墨烯的出现，带来的是一场全新的科技革命。对于天然石墨来说，其层间作用力十分微小，导致其非常易于剥离。经过层层剥离，直至剩下一层时，即为我们所说的石墨烯，所拥有的厚度仅为0.335nm。

8目前，其使用范围已经得到了显著性拓展，能够用于高速飞行器等方面。同均质复合材料相比较而言，其对应的应力变化更为独特，因而成为研究的重点所在。由于其性能方面的优越性，以及内部应力变化的复杂性，进而使得研究具有极为重要的应用价值。现今，对于 FGM 的研究也进行了相应的拓展，逐步迈入多元化发展的范畴。同时，在应用方面也从以前的航空领域逐步拓展至光电、生工等方面。另一方面，材料结构也从金属领域进行拓展，可以使用合金、聚合物陶瓷等材料进行组合。由此可见，在未来发展中，梯度材料所具有的重要性必然会得以提升。

值结果分析中，分别选择环氧树脂和纯铜作为聚合物基体和金属层。当石墨烯总的质量分数给GPLg 定时，分别给出 pattern1、pattern种模型每层的石墨烯质量分数表格，并在同一图中绘制出电压pattern2、 pattern3 、pattern4 各自挠度响应，分析电压对每种率的影响。在同一幅图当中给出 pattern1、pattern2、 pattern3 、pattern4 这挠度响应对比，并分析每种模型对振幅、周期、频率的影响。当石墨烯总的质量分数由 =0.5%GPLg 到 2%GPLg = 时，分别给 pattern3 、pattern4 四种模型挠度响应对比，并且分析当质量分的振幅、周期、频率的影响。绘制出当特征尺寸由 l = 0μm逐渐增加1μ m直到 l = 5μm时在电 pattern3 、pattern4 各自的挠度响应图像，并分析特征尺寸对图 3.1 石墨烯功能梯度材料挠度响应与相关文献对比

【参考文献】

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1 高晓菊;王伯芊;贾平斌;满蓬;杨双燕;燕东明;;功能梯度材料的制备技术及其研发现状[J];材料导报;2014年01期

2 李志宏;;微纳机电系统(MEMS/NEMS)前沿[J];中国科学:信息科学;2012年12期

3 ;Size effect on the static behavior of electrostatically actuated microbeams[J];Acta Mechanica Sinica;2011年03期

4 杨全红;;“梦想照进现实”——从富勒烯、碳纳米管到石墨烯[J];新型炭材料;2011年01期

5 韩同伟;贺鹏飞;王健;吴艾辉;;单层石墨烯薄膜拉伸变形的分子动力学模拟[J];新型炭材料;2010年04期

6 卞正岗;;MEMS微电子机械系统与流程工业自动化[J];中国仪器仪表;2009年07期

7 李月琴;张文辉;;尺寸与表面效应及其对微齿轮强度的影响[J];机械强度;2008年02期

8 赵静一,李侃;基于快速成型的组织工程中的微流体现象[J];液压与气动;2005年08期

9 苑伟政;微/纳米系统技术的研究与发展[J];航空制造技术;2005年03期

10 周兆英,杨兴;微/纳机电系统[J];仪表技术与传感器;2003年02期

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1 郝育新;张伟;;四边简支FGM矩形板非线性振动中的内共振[A];第八届全国动力学与控制学术会议论文集[C];2008年

2 黄毅;梁嘉杰;张龙;许艳菲;王燕;马延风;陈永胜;;石墨烯增强聚合物复合材料及其驱动器[A];2010年全国高分子材料科学与工程研讨会学术论文集（下册）[C];2010年

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4 杨杰;功能梯度复合材料板结构的非线性力学行为与动力特性[D];上海交通大学;2001年

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3 邓容容;考虑表面能效应时载流纳米管的非线性动力学分析[D];湖南大学;2011年

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5 熊益农;半解析数值法分析中厚板基础与地基相互作用[D];湖南大学;2007年

6 张靖华;功能梯度材料梁、壳结构的静态力学响应[D];兰州理工大学;2004年

7 王彦辉;熔融碳酸盐燃料电池堆温度场的数值模拟[D];华北电力大学（北京）;2004年

本文编号：2817525