【摘 要】
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随着力电耦合式MEMS传感技术的发展,挠曲电材料在武器装备、航空航天器件以及医疗器械等智能传感领域的应用价值日益突显,高聚物材料具有较好的韧性与大变形能力,冲击载荷下材料力电响应效果明显,为挠曲电效应的广泛应用提供了可能,对高过载下传感类元件的设计开发具有重要意义。然而,现今对复合结构高聚物类材料（如PDMS）在冲击载荷作用下的挠曲电响应特性分析尚不充分。本文采用实验研究、理论分析和数值模拟相结合
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随着力电耦合式MEMS传感技术的发展,挠曲电材料在武器装备、航空航天器件以及医疗器械等智能传感领域的应用价值日益突显,高聚物材料具有较好的韧性与大变形能力,冲击载荷下材料力电响应效果明显,为挠曲电效应的广泛应用提供了可能,对高过载下传感类元件的设计开发具有重要意义。然而,现今对复合结构高聚物类材料（如PDMS）在冲击载荷作用下的挠曲电响应特性分析尚不充分。本文采用实验研究、理论分析和数值模拟相结合的方法,开展了静态载荷和冲击载荷作用下层内结构对PDMS挠曲电响应特性的影响规律研究。本文的主要工作及取得的成果如下:（1）自主设计了单层、棱台与圆台结构模具,经过固化、粘合与二次固化等步骤制备了不同几何参数的层内结构PDMS试件。利用万能试验机进行了准静态压缩与拉伸实验,研究了 PDMS在准静态加载条件下的力学行为,明确了适用于PDMS力学行为的Yeoh黏弹性材料本构模型。基于搭建的悬臂梁实验测试系统开展了不同构型PDMS悬臂梁振动试验,建立了含阻尼项伯努利-欧拉梁数学模型,结合数值模拟阐明了静态加载条件下PDMS梁的极化规律。结果表明,PDMS悬臂梁的应变梯度在-10～9m-1范围内,极化强度最大可达180pC/m2。（2）采用分离式霍普金森压杆实验系统（SHPB）开展了不同加载速度下的PDMS冲击极化实验。基于Yeoh黏弹性材料本构模型,采用ABAQUS/Explicit开展了 PDMS在冲击载荷下的动态力学特性分析,结合仿真应变与位移求解了试件的应变梯度。开展了不同几何参数表面电极试件的冲击极化实验,获得了冲击极化特性与试件电极参数间的关系。结果表明,十字电极与环形开口电极试件的极化强度约为全电极的10倍,基于等效电路模型与挠曲电理论求解了 PDMS等效挠曲电系数量级为10-11～10-9C/m2,极化强度最大可达-2250pC/m2。（3）开展不同层内结构（粘合/非粘合,棱台/圆台）PDMS试件的冲击极化实验,分析了层内结构对PDMS试件冲击极化电压的影响,结合实验数据与COMSOL Multiphysics有限元分析软件,建立了考虑界面耦合电场的PDMS多物理场耦合模型,获得了层内棱台/圆台结构试件应力场、应变梯度分布以及载流子迁移规律。结果表明,层内棱台以及圆台结构粘合试件的中间界面处发生应力集中,且电荷在中间界面累积形成电场与挠曲电效应耦合提高PDMS极化强度,层内粘合结构PDMS中间界面电荷量是单层结构与层内非粘合结构试件的10倍。
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