發(fā)布時間：2020-07-09 12:27

【摘要】：壓電微構(gòu)件具有響應(yīng)速度快、力電耦合性好、驅(qū)動電壓低等特點,在微傳感器、微驅(qū)動器、微諧振器等微器件中得到了廣泛應(yīng)用。這些微器件的性能在很大程度上取決于微構(gòu)件的力電耦合特性。然而,微尺度下構(gòu)件的力學特性與宏觀尺度有明顯不同,呈現(xiàn)出尺寸依賴性。另外,微尺度下,壓電構(gòu)件中除壓電效應(yīng)外還存在撓曲電效應(yīng),撓曲電效應(yīng)隨著尺度的減小急劇增強,使構(gòu)件的力電耦合性能表現(xiàn)出尺度依賴性。壓電微構(gòu)件力學與力電耦合特性的尺寸依賴性是微器件研究中的關(guān)鍵科學問題。本研究運用含撓曲電效應(yīng)的壓電材料偶應(yīng)力理論,對雙層壓電微梁和壓電微短梁力電耦合性能的尺寸依賴性開展了研究�；贓uler-Bernoulli梁假設(shè),考慮轉(zhuǎn)動梯度、極化梯度及撓曲電效應(yīng),利用電焓變分建立了雙層壓電微梁的控制方程、邊界條件與初始條件,對微梁在力和電壓載荷下的靜態(tài)彎曲及微梁的固有頻率進行了求解。通過數(shù)值計算,討論了微梁靜態(tài)彎曲中力電耦合特性和微梁固有頻率的尺寸依賴性。研究發(fā)現(xiàn),隨著微梁特征尺寸的減小,在力載荷和電壓載荷下,雙層壓電微梁的等效壓電響應(yīng)均呈現(xiàn)一個先增后減的變化規(guī)律,峰值的位置與撓曲電系數(shù)有關(guān);壓電響應(yīng)隨著微梁特征尺寸減小而減小,當微梁特征尺寸接近于材料內(nèi)稟尺寸時減小速度更快;撓曲電響應(yīng)則是先增后減的,當微梁特征尺寸大于內(nèi)稟尺寸時,撓曲電響應(yīng)隨著微梁尺寸減小而增大,直到微梁特征尺寸與材料內(nèi)稟尺寸相近,之后隨著微梁尺寸的減小,撓曲電響應(yīng)迅速降低;雙層壓電微梁無量綱固有頻率隨著微梁特征尺寸的減小而增大,呈現(xiàn)出明顯的尺寸依賴性,與無電效應(yīng)的雙層微梁相比,尺寸依賴性更為明顯。進一步分析表明,電效應(yīng)引起的微梁固有頻率尺寸依賴性的增強主要是由撓曲電效應(yīng)引起的,而壓電效應(yīng)的影響很小�；赥imoshenko梁假設(shè),考慮轉(zhuǎn)動梯度、極化梯度及撓曲電效應(yīng),建立了壓電微短梁尺寸效應(yīng)模型,獲得了控制方程、邊界條件與初始條件,對微梁在力載荷與電壓載荷下的靜態(tài)彎曲及固有頻率進行求解,分析了微梁靜態(tài)彎曲力電耦合特性的尺寸依賴性及剪切變形對力電耦合特性和固有頻率的影響。研究發(fā)現(xiàn),力載荷和電壓載荷下,壓電微短梁的力電響應(yīng)隨著微梁厚度的減小呈現(xiàn)一個先增后減的變化規(guī)律:當微梁厚度大于內(nèi)稟尺寸時,力電響應(yīng)隨著微梁尺寸減小而增大,當微梁厚度接近內(nèi)稟尺寸時出現(xiàn)峰值,隨著微梁尺寸的繼續(xù)減小,力電響應(yīng)迅速降低,壓電微短梁的固有頻率隨著微梁尺寸的減小而迅速增大,存在明顯的尺寸依賴性為。剪切變形使微梁模型力電耦合響應(yīng)和固有頻率的尺寸依賴性減弱。
【學位授予單位】：山東大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TN384
【圖文】：

邐ＩＩ邐１邐＼逡逑（ａ｝極化處理前的電疇分布邋（ｂ）極化處理T的電疇分布邋（ｃ）去掉外電場后的電疇分布逡逑圖１－２壓電陶瓷的壓電效應(yīng)原理逡逑１．２．３撓曲電效應(yīng)逡逑微尺度下，應(yīng)變與極化的梯度效應(yīng)對微構(gòu)件的影響更加明顯。撓曲電效應(yīng)作逡逑為描述微尺度下構(gòu)件應(yīng)變梯度與極化／應(yīng)變與極化梯度耦合特性的現(xiàn)象，在近年來逡逑引起學術(shù)界的重視并成為研宄熱點［４＇電介質(zhì)材料中的撓曲電效應(yīng)分為正／逆撓曲逡逑電效應(yīng)，分別描述應(yīng)變梯度產(chǎn)生電極化與極化梯度產(chǎn)生機械變形的現(xiàn)象。由于僅逡逑非中心對稱的電介質(zhì)材料中可以產(chǎn)生壓電效應(yīng)［４＼而撓曲電效應(yīng)存在于所有電介逡逑質(zhì)材料中因此，撓曲電效應(yīng)的發(fā)展與應(yīng)用拓寬了邋ＭＥＭＳ中電介質(zhì)材料的選逡逑用范圍。此外，微／納米尺度下，構(gòu)件的應(yīng)變梯度與極化梯度較大，因此尺寸越小逡逑的微構(gòu)件，撓曲電效應(yīng)越明顯。相比于壓電效應(yīng)，撓曲電效應(yīng)在微尺度下具有更逡逑大的力電耦合響應(yīng)。目前，學者們關(guān)于撓曲電效應(yīng)的實驗研究，主要集中在電介逡逑質(zhì)材料撓曲電系數(shù)的測量與撓曲電微構(gòu)件的開發(fā)兩個方面。逡逑學者們根據(jù)應(yīng)變梯度與極化的關(guān)系

邐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逡逑圖１－３基于橫向撓曲電效應(yīng)的壓電復合結(jié)構(gòu)逡逑Ｉ逡逑＊－１邋丨＿邋■■邋ａ邋邋邋邋邐＊邐Ｌ邐邐逡逑廣＆邋ｒ￣邋ｊ邋＇邋１邐｜邋Ｉ＂邋ｒ邋ｔｉ逡逑ｍｍｍ＾＇ｒ＾ｗ１邋ａ邋－Ｔ逡逑Ｓｕｐｐｏｒｔ邋＾邐＾＾邋Ｓｕｐｐｏｒｔ邐＾邋Ｓｕｐｐｏｒｔ逡逑圖１．４邋ＢＳＴ橋式結(jié)構(gòu)微型麥克風逡逑（ａ）邐（ｂ）邐（Ｃ）邋Ｕｎ－ｐｏｌａｒｉｚｅｄＰＶＤＦ邐．Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ逡逑？Ｕ邐－｜－邐ｂｕｌｋ邋ｓｐｅｃｉｍｅｎ逡逑？N

本文編號：2747453