挠曲电效应参数测定技术的研究

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挠曲电效应(Flexoelectricity effect)存在于所有介电材料中,指的是应变梯度与电极化强度之间的力电耦合关系。一些高耦合系数的挠曲电材料不含铅,兼具力电耦合性能和环保性能,基于挠曲电材料的特殊力电耦合机理及优良特性,可以利用它极大地提升传感与驱动功能,使其在传感、驱动、微纳机电系统、结构健康监测、能量收集等领域均具有极大应用前景。针对介电材料的挠曲电效应,本文系统分析了挠曲电产生机理,根据横向挠曲电效应和纵向挠曲电效应理论模型,构建挠曲电材料耦合系数测量实验平台,制备挠曲电材料及试样,对其进行了力学性能等方面的研究。  主要的研究工作如下:  1、介绍了正逆挠曲电效应的基础知识和理论,阐述了挠曲电系数的定义及物理意义,详细论述了用来计算横向挠曲电系数的悬臂梁力学模型和用来计算纵向挠曲电系数的梯形台力学模型,推导出由应变梯度引起的挠曲电极化强度表达式,给出了横向挠曲电系数和纵向挠曲电系数的计算公式。  2、分析了挠曲电材料耦合系数测量实验中的各关键环节,针对各问题,提出了测定挠曲电系数的实验方案,利用锁定放大器和压电微驱动器以及超景深三维显微镜构建测试平台,使用压电微驱动器激励试样,采用超景深三维显微镜和锁定放大器精确测量微电量及微位移,进而准确测定挠曲电系数。  3、研究了挠曲电材料钛酸锶钡(Ba0.75Si0.25TiO3)陶瓷的制备,并对其力学性能进行分析。自行设计了完善的实验方案,在室温下对钛酸锶钡试样进行了研究,测量了纵向挠曲电系数μ11以及横向挠曲电系数μ12,验证了用该平台测定挠曲电系数的可行性,为进一步开展挠曲电材料的研究和应用提供了基础实验平台。
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