【摘要】：基于線性壓電效應的機電器件與結構存在能量轉換效率低、工作頻寬窄、輸出位移不足等問題,無法滿足日益嚴苛的工程實際需求。鐵電機電器件利用鐵電材料內部自發(fā)極化非線性翻轉實現(xiàn)能量轉換,可以很好地解決傳統(tǒng)壓電器件存在的上述問題,為機電器件與結構的設計提供了一種全新思路和有益補充。然而另一方面,復雜的非線性滯回特性及介觀電疇變動力學給鐵電器件的設計、優(yōu)化和控制帶來了很大困難。針對上述問題,本論文結合國家自然科學基金項目(51575478):鐵電材料中聲波誘發(fā)電疇變的低頻吸聲機理研究,開展了關于鐵電器件非線性滯回特性及電疇變動力學的一系列研究,論文的主要內容包括:考慮到目前幾類通用的鐵電滯回模型均沒有很好地兼顧模型精度與效率,且不能很好地刻畫鐵電滯回曲線的頻率依賴性,論文基于自發(fā)極化的Landau唯象描述構建了一類全新的微分型滯回模型。在微觀層面,基于Landau唯象理論和廣義Lagrangian力學,論文建立了描述自發(fā)極化非線性動態(tài)翻轉過程的微分滯回算子。在宏觀層面,論文假設材料的某些參數是分布的,并引入了一個描述材料參數分布特性的二維分布函數。與經典Preisach模型類似,宏觀滯回響應最終可由一系列微分滯回算子加權疊加表示。通過在微分滯回算子中考慮自發(fā)極化的廣義慣性效應和粘性效應,鐵電滯回曲線的頻率依賴性被自動包含進模型。為了便于后續(xù)實際工程應用,論文詳細討論了微分型滯回模型的數值實現(xiàn)算法、參數識別策略和逆模型構建算法。此外,考慮到鐵磁滯回現(xiàn)象與鐵電滯回現(xiàn)象的相似性,論文進一步將微分型滯回模型推廣到鐵磁滯回研究領域。考慮到初始版本微分型滯回模型的構建過程只考慮了 180°自發(fā)極化翻轉的影響,非180°自發(fā)極化翻轉以及偏置應力的影響沒有包含進模型,模型無法刻畫鐵電滯回曲線的應力依賴性,論文進一步對上述模型進行了擴展。為了使模型能夠包含偏置應力的影響,論文在微觀層面對自由能函數ψ進行了修改。另外考慮到微分型滯回模型的分布函數依舊是二維的,模型效率不足,論文基于自發(fā)極化翻轉過程的極化分布特性以及各階回線的相似性,提出了分布函數重構的概念。數值實驗結果表明擴展的微分型滯回模型可以很好地模擬不同偏置應力下的鐵電滯回曲線�？紤]到現(xiàn)有鐵電納米發(fā)電機的工作極度依賴于鐵電疇結構的拓撲穩(wěn)定性,存在器件魯棒性不足的問題,論文提出了一種全新的改進策略。通過合理設計能量捕獲電路,引入偏置電場,外應變誘發(fā)的自發(fā)極化翻轉具有了取向選擇性,機械能可以通過穩(wěn)定可重復自發(fā)極化翻轉過程被持續(xù)地轉換為電能。論文借助相場法研究了鐵電納米發(fā)電機中的電疇變動力學,系統(tǒng)分析了偏置電壓、外電阻、漏電流對改進型鐵電納米發(fā)電機工作性能的影響。此外,論文還構建了鐵電納米發(fā)電機的能量轉換流程圖,分析了鐵電納米發(fā)電機的能量轉換過程,并將其與壓電納米發(fā)電機進行比較,揭示了鐵電納米發(fā)電機具有高輸出能量密度的內在原因。考慮到目前大部分鐵電相場模型只是電彈耦合的,論文基于連續(xù)介質熱力學框架,擴展了經典鐵電相場理論,溫度場的影響被耦合進相場模型。基于擴展的鐵電相場模型,論文研究了鐵電納米執(zhí)行器中的電熱彈全耦合電疇變動力學,系統(tǒng)地分析了鐵電納米執(zhí)行器的發(fā)熱機理和發(fā)熱過程,討論了工作頻率和熱學邊界條件對器件溫升的影響,在此基礎上給出了器件的溫度管理策略。
【圖文】：

浙江大學博士學位論文邐逡逑現(xiàn)象的出現(xiàn)會使得經典線性控制理論失效，同時傳統(tǒng)的非線性魯棒控制算法的控逡逑制效果也不理想，甚至會引發(fā)閉環(huán)系統(tǒng)失穩(wěn)［１７’１８］。為了更好地設計、優(yōu)化和控制逡逑此類器件，開展關于宏觀鐵電滯回特性的精確建模研究將至關重要。逡逑ａｃｔｒｏ＇邐＇邐！邐＇邐＊．＾逡逑

浙江大學博士學位論文邐逡逑現(xiàn)象的出現(xiàn)會使得經典線性控制理論失效，同時傳統(tǒng)的非線性魯棒控制算法的控逡逑制效果也不理想，，甚至會引發(fā)閉環(huán)系統(tǒng)失穩(wěn)［１７’１８］。為了更好地設計、優(yōu)化和控制逡逑此類器件，開展關于宏觀鐵電滯回特性的精確建模研究將至關重要。逡逑ａｃｔｒｏ＇邐＇邐！邐＇邐＊．＾逡逑
【學位授予單位】：浙江大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TN384

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本文編號：2637503