現(xiàn)有的微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)的核心構(gòu)件的制備材料均是單晶硅、多晶硅、氧化硅、形狀記憶合金等單一均質(zhì)材料,其各自的電學(xué)、熱學(xué)、力學(xué)、光學(xué)性能均受到了較大的限制,從而導(dǎo)致其微機(jī)電系統(tǒng)的整體性能也受到了較大的影響。如果能將石墨烯摻雜到核心構(gòu)件中,并在不同的位置按不同的比例摻雜石墨烯材料,從而構(gòu)建所謂的石墨烯功能梯度材料,將其用于微機(jī)電系統(tǒng)核心構(gòu)件,必將大大提升微機(jī)電的性能。本文的研究正是抓住了這個(gè)切入點(diǎn),從理論上提前研究將石墨烯功能梯度材料用于微機(jī)電系統(tǒng)核心構(gòu)件后,微機(jī)電系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性將發(fā)生什么樣的變化,并弄清楚石墨烯摻雜比例,以及不同位置的摻雜濃度對(duì)微機(jī)電系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性具有怎樣的影響,最終拿出量化的數(shù)據(jù)。為以后滿足不同使用性能要求的,以石墨烯增強(qiáng)功能梯度材料為核心構(gòu)件的微機(jī)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)制造提供量化參考依據(jù)。本文以石墨烯增強(qiáng)功能梯度材料為基體的微執(zhí)行器為研究對(duì)象,其主要研究?jī)?nèi)容為:(1)以Halpin-Tsai模型為基礎(chǔ),探討了石墨烯增強(qiáng)功能梯度材料微執(zhí)行器中石墨烯摻雜比例對(duì)其動(dòng)力學(xué)特性的影響,從而對(duì)需要不同動(dòng)力學(xué)特性的微機(jī)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和制造提供最合理的摻雜制備方案。按照使用性能的要求,將石墨烯按不同比例摻雜到金屬基或高分子基材料中的不同位置,形成石墨烯增強(qiáng)功能梯度材料,通過(guò)該模型量化出石墨烯摻雜比例對(duì)石墨烯增強(qiáng)功能梯度材料的彈性模量的影響。進(jìn)而由微梁的動(dòng)力學(xué)模型分析出執(zhí)行器的動(dòng)力響應(yīng)(Dynamic response),分析出微機(jī)電系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性。從而量化出石墨烯摻雜比例對(duì)微機(jī)電系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性的影響,為需要不同動(dòng)力學(xué)特性的微機(jī)電系統(tǒng)提供最合理的石墨烯摻雜比例方案,使石墨烯增強(qiáng)功能梯度材料微機(jī)電的優(yōu)異性能得到更好地發(fā)掘。(2)采用鐵摩辛柯梁模型(以W、U、ψ為位移函數(shù))構(gòu)建了基于石墨烯增強(qiáng)功能梯度材料的微執(zhí)行器多非線性耦合(靜電載荷非線性和幾何非線性)動(dòng)力學(xué)模型,研究其混合非線性對(duì)微執(zhí)行器的動(dòng)力學(xué)特性的影響。深入地分析了各種非線性因素對(duì)微執(zhí)行器動(dòng)力學(xué)特性的影響,從而為微執(zhí)行器的設(shè)計(jì)提供更合理的理論支撐,使各種微執(zhí)行器的設(shè)計(jì)更加可靠、應(yīng)用更加安全。(3)微機(jī)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)尺寸在微米量級(jí),許多在宏觀條件下常被忽略的性質(zhì)在微尺度下卻有很明顯的表現(xiàn),系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性表現(xiàn)出很強(qiáng)的尺度效應(yīng)。本文針對(duì)尺度效應(yīng)特別討論了特征尺寸對(duì)微梁的動(dòng)力學(xué)特性的影響。使其對(duì)石墨烯增強(qiáng)功能梯度材料的微機(jī)電系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性有了更加全面的了解。
【學(xué)位單位】：西華大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類(lèi)】：TB34;TQ127.11
【部分圖文】：

雖然兩次實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)材料和方法相同，但由于尺度的不同就會(huì)出現(xiàn)不同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。以上實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)尺度逐漸由宏觀變化至微觀時(shí)，對(duì)于所有的作用力來(lái)說(shuō)，其相對(duì)重要性上出現(xiàn)了較為明顯的波動(dòng)，處于微尺度時(shí)，一些表面力的作用明顯增強(qiáng)。1.2 石墨烯的概念石墨烯，其是由碳原子以 sp 2雜化軌道所構(gòu)成的六角形并呈蜂巢晶格的平面薄膜，具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖 1.1。石墨烯厚度僅為一個(gè)碳原子直徑大小，厚度為最小，但韌性卻是最好的，同最優(yōu)質(zhì)的鋼相比，其斷裂強(qiáng)度是前者的 200 倍有余，此外，石墨烯的彈性也比較出色，進(jìn)行拉伸時(shí)，最大幅度甚至接近自身尺寸的額 1/5；石墨烯基本上接近于透明狀態(tài)，僅有2.3%的光能夠被其吸收；它在排列上特別的緊致，哪怕是氨原子，也不能將其滲透。因此，研究者將石墨烯冠之以“黑金”稱(chēng)號(hào)，并將其譽(yù)為“新材料之王”，毫無(wú)疑問(wèn)，石墨烯的出現(xiàn)，帶來(lái)的是一場(chǎng)全新的科技革命。對(duì)于天然石墨來(lái)說(shuō)，其層間作用力十分微小，導(dǎo)致其非常易于剝離。經(jīng)過(guò)層層剝離，直至剩下一層時(shí)，即為我們所說(shuō)的石墨烯，所擁有的厚度僅為0.335nm。

8目前，其使用范圍已經(jīng)得到了顯著性拓展，能夠用于高速飛行器等方面。同均質(zhì)復(fù)合材料相比較而言，其對(duì)應(yīng)的應(yīng)力變化更為獨(dú)特，因而成為研究的重點(diǎn)所在。由于其性能方面的優(yōu)越性，以及內(nèi)部應(yīng)力變化的復(fù)雜性，進(jìn)而使得研究具有極為重要的應(yīng)用價(jià)值。現(xiàn)今，對(duì)于 FGM 的研究也進(jìn)行了相應(yīng)的拓展，逐步邁入多元化發(fā)展的范疇。同時(shí)，在應(yīng)用方面也從以前的航空領(lǐng)域逐步拓展至光電、生工等方面。另一方面，材料結(jié)構(gòu)也從金屬領(lǐng)域進(jìn)行拓展，可以使用合金、聚合物陶瓷等材料進(jìn)行組合。由此可見(jiàn)，在未來(lái)發(fā)展中，梯度材料所具有的重要性必然會(huì)得以提升。

值結(jié)果分析中，分別選擇環(huán)氧樹(shù)脂和純銅作為聚合物基體和金屬層。當(dāng)石墨烯總的質(zhì)量分?jǐn)?shù)給GPLg 定時(shí)，分別給出 pattern1、pattern種模型每層的石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)表格，并在同一圖中繪制出電壓pattern2、 pattern3 、pattern4 各自撓度響應(yīng)，分析電壓對(duì)每種率的影響。在同一幅圖當(dāng)中給出 pattern1、pattern2、 pattern3 、pattern4 這撓度響應(yīng)對(duì)比，并分析每種模型對(duì)振幅、周期、頻率的影響。當(dāng)石墨烯總的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由 =0.5%GPLg 到 2%GPLg = 時(shí)，分別給 pattern3 、pattern4 四種模型撓度響應(yīng)對(duì)比，并且分析當(dāng)質(zhì)量分的振幅、周期、頻率的影響。繪制出當(dāng)特征尺寸由 l = 0μm逐漸增加1μ m直到 l = 5μm時(shí)在電 pattern3 、pattern4 各自的撓度響應(yīng)圖像，并分析特征尺寸對(duì)圖 3.1 石墨烯功能梯度材料撓度響應(yīng)與相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)比

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 高曉菊;王伯芊;賈平斌;滿蓬;楊雙燕;燕東明;;功能梯度材料的制備技術(shù)及其研發(fā)現(xiàn)狀[J];材料導(dǎo)報(bào);2014年01期

2 李志宏;;微納機(jī)電系統(tǒng)(MEMS/NEMS)前沿[J];中國(guó)科學(xué):信息科學(xué);2012年12期

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

4 楊全紅;;“夢(mèng)想照進(jìn)現(xiàn)實(shí)”——從富勒烯、碳納米管到石墨烯[J];新型炭材料;2011年01期

5 韓同偉;賀鵬飛;王健;吳艾輝;;單層石墨烯薄膜拉伸變形的分子動(dòng)力學(xué)模擬[J];新型炭材料;2010年04期

6 卞正崗;;MEMS微電子機(jī)械系統(tǒng)與流程工業(yè)自動(dòng)化[J];中國(guó)儀器儀表;2009年07期

7 李月琴;張文輝;;尺寸與表面效應(yīng)及其對(duì)微齒輪強(qiáng)度的影響[J];機(jī)械強(qiáng)度;2008年02期

8 趙靜一,李侃;基于快速成型的組織工程中的微流體現(xiàn)象[J];液壓與氣動(dòng);2005年08期

9 苑偉政;微/納米系統(tǒng)技術(shù)的研究與發(fā)展[J];航空制造技術(shù);2005年03期

10 周兆英,楊興;微/納機(jī)電系統(tǒng)[J];儀表技術(shù)與傳感器;2003年02期

相關(guān)會(huì)議論文 前2條

1 郝育新;張偉;;四邊簡(jiǎn)支FGM矩形板非線性振動(dòng)中的內(nèi)共振[A];第八屆全國(guó)動(dòng)力學(xué)與控制學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C];2008年

2 黃毅;梁嘉杰;張龍;許艷菲;王燕;馬延風(fēng);陳永勝;;石墨烯增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料及其驅(qū)動(dòng)器[A];2010年全國(guó)高分子材料科學(xué)與工程研討會(huì)學(xué)術(shù)論文集（下冊(cè)）[C];2010年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前4條

1 馮晶晶;Padé逼近方法與非線性動(dòng)力系統(tǒng)的復(fù)雜動(dòng)力學(xué)[D];天津大學(xué);2013年

2 李新剛;功能梯度材料運(yùn)動(dòng)裂紋及彈性波作用下的斷裂行為研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2008年

3 趙鳳群;非保守FGM桿和板的非線性動(dòng)力學(xué)特性研究[D];西安理工大學(xué);2007年

4 楊杰;功能梯度復(fù)合材料板結(jié)構(gòu)的非線性力學(xué)行為與動(dòng)力特性[D];上海交通大學(xué);2001年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前7條

1 林凡;多非線性耦合變截面微開(kāi)關(guān)動(dòng)力響應(yīng)研究[D];西華大學(xué);2016年

2 李良中;具損傷微納米結(jié)構(gòu)的非線性動(dòng)力學(xué)分析[D];湖南大學(xué);2014年

3 鄧容容;考慮表面能效應(yīng)時(shí)載流納米管的非線性動(dòng)力學(xué)分析[D];湖南大學(xué);2011年

4 郝亞鋒;基于MEMS的靜電控制加速度微開(kāi)關(guān)分析及測(cè)試[D];西安電子科技大學(xué);2011年

5 熊益農(nóng);半解析數(shù)值法分析中厚板基礎(chǔ)與地基相互作用[D];湖南大學(xué);2007年

6 張靖華;功能梯度材料梁、殼結(jié)構(gòu)的靜態(tài)力學(xué)響應(yīng)[D];蘭州理工大學(xué);2004年

7 王彥輝;熔融碳酸鹽燃料電池堆溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬[D];華北電力大學(xué)（北京）;2004年

本文編號(hào)：2817525