钡基增强挠曲电材料的性能优化及有限元计算

发布时间：2020-07-05 01:32

【摘要】：挠曲电效应是指由应变梯度诱导的材料电极化现象以及电场梯度诱发的应变现象。相比于压电材料,挠曲电材料有着应用温度区间广、不受对称中心限制以及尺寸效应等优点,因而在微纳米尺度上具有极大的传感应用潜质。本文围绕钡基挠曲电材料为核心,从挠曲电材料制备、挠曲电性能优化和挠曲电有限元计算三方面进行研究,研究发现:1.BTS13/87陶瓷烧结最佳温度为1300℃~1350℃之间。当烧结温度为1250℃时,陶瓷致密性差,致密度仅为78.75%;当烧结温度高于1400℃时,晶粒晶格发生畸变,并不表现为标准的钙钛矿结构。2.Al_2O_3掺杂对BTS13/87陶瓷,当Al_2O_3掺杂浓度不高于2.0 wt%时不改变BTS钙钛矿结构;晶粒尺寸随Al_2O_3掺杂浓度的增加而减小,具有明显的细晶作用;掺杂不同Al_2O_3浓度的BTS13/87陶瓷的居里温度均在40℃以上,介电损耗大于0.1,最大介电常数仅达到3300左右。3.Al_2O_3掺杂对BTS15/85陶瓷,Al_2O_3掺杂浓度为5.0 wt%时,BTS陶瓷的XRD图出现杂质峰,介电温谱出现异常不表现为标准铁电体特性;当Al_2O_3掺杂浓度不高于2.0 wt%时不改变BTS钙钛矿结构。晶粒尺寸、介电常数、介电损耗和剩余极化强度均随掺杂浓度的增加而减小;当Al_2O_3掺杂浓度为0.5 wt%时BTS陶瓷的致密度和横向挠曲电系数均为最高,分别为96.52%和40μC/m。4.采用有限元仿真方法优化弯曲模式具有等效压电性的挠曲电复合结构,从钨线几何形状、支撑部分的材料种类、BST板与钨线的接触位置和BST板厚度等方面对复合结构的挠曲电性进行优化分析。当复合结构处于相同应变条件下,钨线横截面为圆形,支撑部分材料为为杨氏模量450 GPa的碳化硅,上下部分钨线中心距离分别为2.1 mm和2.5 mm,BST板长宽比为1/150时,复合结构具有最佳挠曲电性。此时的复合挠曲电模型相较于初始模型,其挠曲电性增强了近50倍。5.推导了挠曲电效应力电耦合公式,结合挠曲电性由应变梯度或电场梯度诱导产生的特点,在第一类Rosen型压电变压器基础上设计了类梯形,带孔长方形,沙漏形和螺旋形四种挠曲电变压器。当处于纳米尺度时,四种挠曲电变压器具有非常可观的挠曲电效应,其中带孔长方形挠曲电变压器升压比最高,可达到3.53×104倍。合理设计挠曲电变压器尺寸和几何形状对升压比有着重要影响。
【学位授予单位】：南昌大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TQ174.1
【图文】：

中心对称晶体产生非均匀应变导致的极化

图 1.2 挠曲电系数测平台和样品[31,32](a)悬臂梁测试系统示意图 (b)压缩梯形块测试平台 (c)动态机械分析测试系统示意图(d)测量横向系数的实验样品 (e) 测量纵向系数的实验样品Cross 等人研究高介铁电陶瓷材料均为多晶材料，所以其测量出的相应挠曲电系数也并非真正意义上的单晶材料的挠曲电系数。为填补这一空白，Zubko 和

【参考文献】

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本文编号：2741881