含挠曲电效应的压电微构件力电耦合特性尺寸效应研究

发布时间：2020-07-09 12:27

【摘要】：压电微构件具有响应速度快、力电耦合性好、驱动电压低等特点,在微传感器、微驱动器、微谐振器等微器件中得到了广泛应用。这些微器件的性能在很大程度上取决于微构件的力电耦合特性。然而,微尺度下构件的力学特性与宏观尺度有明显不同,呈现出尺寸依赖性。另外,微尺度下,压电构件中除压电效应外还存在挠曲电效应,挠曲电效应随着尺度的减小急剧增强,使构件的力电耦合性能表现出尺度依赖性。压电微构件力学与力电耦合特性的尺寸依赖性是微器件研究中的关键科学问题。本研究运用含挠曲电效应的压电材料偶应力理论,对双层压电微梁和压电微短梁力电耦合性能的尺寸依赖性开展了研究。基于Euler-Bernoulli梁假设,考虑转动梯度、极化梯度及挠曲电效应,利用电焓变分建立了双层压电微梁的控制方程、边界条件与初始条件,对微梁在力和电压载荷下的静态弯曲及微梁的固有频率进行了求解。通过数值计算,讨论了微梁静态弯曲中力电耦合特性和微梁固有频率的尺寸依赖性。研究发现,随着微梁特征尺寸的减小,在力载荷和电压载荷下,双层压电微梁的等效压电响应均呈现一个先增后减的变化规律,峰值的位置与挠曲电系数有关;压电响应随着微梁特征尺寸减小而减小,当微梁特征尺寸接近于材料内禀尺寸时减小速度更快;挠曲电响应则是先增后减的,当微梁特征尺寸大于内禀尺寸时,挠曲电响应随着微梁尺寸减小而增大,直到微梁特征尺寸与材料内禀尺寸相近,之后随着微梁尺寸的减小,挠曲电响应迅速降低;双层压电微梁无量纲固有频率随着微梁特征尺寸的减小而增大,呈现出明显的尺寸依赖性,与无电效应的双层微梁相比,尺寸依赖性更为明显。进一步分析表明,电效应引起的微梁固有频率尺寸依赖性的增强主要是由挠曲电效应引起的,而压电效应的影响很小。基于Timoshenko梁假设,考虑转动梯度、极化梯度及挠曲电效应,建立了压电微短梁尺寸效应模型,获得了控制方程、边界条件与初始条件,对微梁在力载荷与电压载荷下的静态弯曲及固有频率进行求解,分析了微梁静态弯曲力电耦合特性的尺寸依赖性及剪切变形对力电耦合特性和固有频率的影响。研究发现,力载荷和电压载荷下,压电微短梁的力电响应随着微梁厚度的减小呈现一个先增后减的变化规律:当微梁厚度大于内禀尺寸时,力电响应随着微梁尺寸减小而增大,当微梁厚度接近内禀尺寸时出现峰值,随着微梁尺寸的继续减小,力电响应迅速降低,压电微短梁的固有频率随着微梁尺寸的减小而迅速增大,存在明显的尺寸依赖性为。剪切变形使微梁模型力电耦合响应和固有频率的尺寸依赖性减弱。
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN384
【图文】：

逦ＩＩ逦１逦＼逡逑（ａ｝极化处理前的电畴分布邋（ｂ）极化处理T的电畴分布邋（ｃ）去掉外电场后的电畴分布逡逑图１－２压电陶瓷的压电效应原理逡逑１．２．３挠曲电效应逡逑微尺度下，应变与极化的梯度效应对微构件的影响更加明显。挠曲电效应作逡逑为描述微尺度下构件应变梯度与极化／应变与极化梯度耦合特性的现象，在近年来逡逑引起学术界的重视并成为研宄热点［４＇电介质材料中的挠曲电效应分为正／逆挠曲逡逑电效应，分别描述应变梯度产生电极化与极化梯度产生机械变形的现象。由于仅逡逑非中心对称的电介质材料中可以产生压电效应［４＼而挠曲电效应存在于所有电介逡逑质材料中因此，挠曲电效应的发展与应用拓宽了邋ＭＥＭＳ中电介质材料的选逡逑用范围。此外，微／纳米尺度下，构件的应变梯度与极化梯度较大，因此尺寸越小逡逑的微构件，挠曲电效应越明显。相比于压电效应，挠曲电效应在微尺度下具有更逡逑大的力电耦合响应。目前，学者们关于挠曲电效应的实验研究，主要集中在电介逡逑质材料挠曲电系数的测量与挠曲电微构件的开发两个方面。逡逑学者们根据应变梯度与极化的关系

逦ＷＷ邋＊＇￣逡逑ｔ邋ｔ邋ｔ邋ｔ邋ｔ邋ｔ邋ｔ邋ｔ邋ｒ邋ｔ邋ｔ邋ｔ邋ｔ逡逑图１－３基于横向挠曲电效应的压电复合结构逡逑Ｉ逡逑＊－１邋丨＿邋■■邋ａ邋邋邋邋逦＊逦Ｌ逦逦逡逑广＆邋ｒ￣邋ｊ邋＇邋１逦｜邋Ｉ＂邋ｒ邋ｔｉ逡逑ｍｍｍ＾＇ｒ＾ｗ１邋ａ邋－Ｔ逡逑Ｓｕｐｐｏｒｔ邋＾逦＾＾邋Ｓｕｐｐｏｒｔ逦＾邋Ｓｕｐｐｏｒｔ逡逑图１．４邋ＢＳＴ桥式结构微型麦克风逡逑（ａ）逦（ｂ）逦（Ｃ）邋Ｕｎ－ｐｏｌａｒｉｚｅｄＰＶＤＦ逦．Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ逡逑？Ｕ逦－｜－逦ｂｕｌｋ邋ｓｐｅｃｉｍｅｎ逡逑？N

本文编号：2747453