考虑挠曲电效应的压电纳米薄板力-电-热耦合特性研究

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压电材料因其固有的力电耦合效应,已广泛的应用于传感器、作动器等电子元器件中。随着微纳米技术的发展和智能器件结构微型化的趋势,压电纳米材料作为微纳米尺度传感器、作动器、俘能器等电子器件的最佳材料选择,一直是研究的热点与前沿。在微纳尺度,一种新的力电耦合效应---挠曲电效应,近年来备受关注。挠曲电效应指的是由应变梯度(或非均匀应变)引起的电极化,广泛存在于固体电介质(含压电材料)、液体晶体和生物膜中。挠曲电效应具有显著的尺寸效应,随着结构尺寸的减小而增大,因此必将影响纳米尺度压电材料与结构的力学性能和多场耦合特性。本文考虑挠曲电和温度效应,研究了压电纳米薄板的力-电-热耦合特性和静、动态力学行为。首先,基于挠曲电理论和Kirchhoff板假设,我们推导了压电纳米薄板的力-电-热耦合微分控制方程。然后,我们研究了控制方程中非线性项的影响,最后采用里兹(Ritz)法求解,得到薄板的弯曲位移和自由振动频率。此外,本文还研究了考虑挠曲电和温度效应的功能梯度压电纳米薄板的静、动态力学行为。数值模拟讨论了梯度指数、温度、挠曲电系数和结构几何尺寸对功能梯度薄板弯曲和振动行为的影响。为了建立更为准确的考虑温度效应的薄板力学模型,本文分别考虑了材料参数不随温度变化、随温度线性变化和基于实验数据随温度非线性变化的材料参数模型。本研究建立的压电纳米薄板力学模型和数值模拟结果将有利于进一步理解挠曲电效应引起的微纳尺度压电材料多场耦合特性,且对基于压电纳米薄板的微纳电子器件的结构设计与优化有一定的指导作用。
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