本文關(guān)鍵詞：壓電納米材料和結(jié)構(gòu)中的彈性波傳播與散射　出處：《北京交通大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：納米壓電材料具有機(jī)電耦合性強(qiáng)、尺寸小、功耗低和反應(yīng)靈敏等獨(dú)特性能,已被廣泛用于制造發(fā)電機(jī)、傳感器、驅(qū)動器、諧振器和醫(yī)用探測器等納米智能裝置。高比表/界面積引起的表/界面效應(yīng)是納米材料最重要的結(jié)構(gòu)特征之一,其對材料的整體性質(zhì)起著決定性的作用。表/界面效應(yīng)會導(dǎo)致體應(yīng)力和體電位移在壓電表/界面層的兩側(cè)出現(xiàn)間躍,傳統(tǒng)的力電場連續(xù)性條件將不再適用。此外,對于壓電納米材料而言,其表/界面效應(yīng)除了表/界面彈性效應(yīng)外,還應(yīng)包含表/界面壓電效應(yīng)和表/界面介電效應(yīng)�？紤]表/界面為不計厚度的薄層卻擁有獨(dú)立的材料參數(shù),推廣Young-Laplace方程來描述壓電表/界面處的力電間斷現(xiàn)象,采用表/界面壓電模型計及表/界面彈性、表/界面壓電性、表/界面介電性、表/界面密度和表/界面殘余場的影響,本文對幾類典型的納米壓電結(jié)構(gòu)和材料的波動性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究,具體內(nèi)容如下:(1)研究了 SH型導(dǎo)波在納米壓電板中的傳播特性,給出了頻散方程的解析表達(dá),結(jié)合數(shù)值算例詳細(xì)討論了表面材料參數(shù)對對稱和反對稱頻散模態(tài)的影響。結(jié)果表明:表面彈性和表面壓電性會提高波速,相反地,表面介電性和表面密度會降低波速;表面效應(yīng)對高階模態(tài)截止頻率的改變是由表面密度主導(dǎo)的,其與表面彈性、表面壓電性和表面介電性幾乎無關(guān)。(2)結(jié)合非局部理論和表面壓電模型,研究了壓電納米板中Lamb型導(dǎo)波的傳播特性。利用子波法推導(dǎo)了控制方程的通解,給出了板邊界處的非典型應(yīng)力和電位移平衡條件,得到了含非局部因子、表面材料參數(shù)和表面殘余應(yīng)力的頻散方程。數(shù)值算例指出:非局部效應(yīng)使得導(dǎo)波只能在小于逃避頻率的頻域內(nèi)傳播,且非局部因子越大,能產(chǎn)生波動的頻域越窄;導(dǎo)波的頻散行為表現(xiàn)出了明顯的尺寸相關(guān)性,當(dāng)板厚達(dá)到一個臨界值時,表面效應(yīng)和非局部效應(yīng)的影響均可忽略不計。(3)研究了表面效應(yīng)對納米壓電薄膜/彈性基底結(jié)構(gòu)中Love型表面波傳播特性的影響,給出了頻散方程的解析表達(dá)式。分析結(jié)果顯示:表面彈性、表面壓電性和表面介電性對相速度的改變僅體現(xiàn)在高頻范圍內(nèi),而表面密度對幾乎整個頻域內(nèi)的波速都有影響;當(dāng)表面材料參數(shù)滿足一定條件時,最低階模態(tài)在高頻域內(nèi)會以頻散的SH型表面波形式傳播。(4)研究了納米壓電薄膜/彈性基底結(jié)構(gòu)中Rayleigh型表面波的傳播特性,揭示了表面材料參數(shù)、表面殘余應(yīng)力和薄膜厚度對頻散曲線的影響機(jī)制。數(shù)值結(jié)果表明:基階模態(tài)在高頻域內(nèi)會以頻散的Rayleigh波形式傳播;表面殘余應(yīng)力對高階模態(tài)沒有影響,其僅改變基階模態(tài)的頻散行為,且取向?yàn)檎�、�?fù)的殘余應(yīng)力會分別提高和降低波速。(5)基于勢函數(shù)理論,研究了無限大聚合物基體中納米壓電圓柱對沿任意角度入射的平面縱波的散射。利用波函數(shù)展開法和模態(tài)匹配原理給出了波場和電勢的解析表達(dá),通過滿足廣義Young-Laplace方程求解出展開模式系數(shù)。數(shù)值算例指出:界面材料特性會對納米壓電圓柱周圍的電彈場分布產(chǎn)生重要影響;相比于動應(yīng)力,電勢對界面壓電性和界面介電性的改變要更為敏感。
【學(xué)位授予單位】：北京交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TB383.1

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：1315048