現有的微機電系統(MEMS)的核心構件的制備材料均是單晶硅、多晶硅、氧化硅、形狀記憶合金等單一均質材料,其各自的電學、熱學、力學、光學性能均受到了較大的限制,從而導致其微機電系統的整體性能也受到了較大的影響。如果能將石墨烯摻雜到核心構件中,并在不同的位置按不同的比例摻雜石墨烯材料,從而構建所謂的石墨烯功能梯度材料,將其用于微機電系統核心構件,必將大大提升微機電的性能。本文的研究正是抓住了這個切入點,從理論上提前研究將石墨烯功能梯度材料用于微機電系統核心構件后,微機電系統的動力學特性將發(fā)生什么樣的變化,并弄清楚石墨烯摻雜比例,以及不同位置的摻雜濃度對微機電系統的動力學特性具有怎樣的影響,最終拿出量化的數據。為以后滿足不同使用性能要求的,以石墨烯增強功能梯度材料為核心構件的微機電系統的設計制造提供量化參考依據。本文以石墨烯增強功能梯度材料為基體的微執(zhí)行器為研究對象,其主要研究內容為:(1)以Halpin-Tsai模型為基礎,探討了石墨烯增強功能梯度材料微執(zhí)行器中石墨烯摻雜比例對其動力學特性的影響,從而對需要不同動力學特性的微機電系統的設計和制造提供最合理的摻雜制備方案。按照使用性能的要求,將石墨烯按不同比例摻雜到金屬基或高分子基材料中的不同位置,形成石墨烯增強功能梯度材料,通過該模型量化出石墨烯摻雜比例對石墨烯增強功能梯度材料的彈性模量的影響。進而由微梁的動力學模型分析出執(zhí)行器的動力響應(Dynamic response),分析出微機電系統的動力學特性。從而量化出石墨烯摻雜比例對微機電系統的動力學特性的影響,為需要不同動力學特性的微機電系統提供最合理的石墨烯摻雜比例方案,使石墨烯增強功能梯度材料微機電的優(yōu)異性能得到更好地發(fā)掘。(2)采用鐵摩辛柯梁模型(以W、U、ψ為位移函數)構建了基于石墨烯增強功能梯度材料的微執(zhí)行器多非線性耦合(靜電載荷非線性和幾何非線性)動力學模型,研究其混合非線性對微執(zhí)行器的動力學特性的影響。深入地分析了各種非線性因素對微執(zhí)行器動力學特性的影響,從而為微執(zhí)行器的設計提供更合理的理論支撐,使各種微執(zhí)行器的設計更加可靠、應用更加安全。(3)微機電系統的結構尺寸在微米量級,許多在宏觀條件下常被忽略的性質在微尺度下卻有很明顯的表現,系統與結構的力學特性表現出很強的尺度效應。本文針對尺度效應特別討論了特征尺寸對微梁的動力學特性的影響。使其對石墨烯增強功能梯度材料的微機電系統的動力學特性有了更加全面的了解。
【學位單位】：西華大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TB34;TQ127.11
【部分圖文】：

雖然兩次實驗的實驗材料和方法相同，但由于尺度的不同就會出現不同的實驗結果。以上實驗表明，當尺度逐漸由宏觀變化至微觀時，對于所有的作用力來說，其相對重要性上出現了較為明顯的波動，處于微尺度時，一些表面力的作用明顯增強。1.2 石墨烯的概念石墨烯，其是由碳原子以 sp 2雜化軌道所構成的六角形并呈蜂巢晶格的平面薄膜，具體結構見圖 1.1。石墨烯厚度僅為一個碳原子直徑大小，厚度為最小，但韌性卻是最好的，同最優(yōu)質的鋼相比，其斷裂強度是前者的 200 倍有余，此外，石墨烯的彈性也比較出色，進行拉伸時，最大幅度甚至接近自身尺寸的額 1/5；石墨烯基本上接近于透明狀態(tài)，僅有2.3%的光能夠被其吸收；它在排列上特別的緊致，哪怕是氨原子，也不能將其滲透。因此，研究者將石墨烯冠之以“黑金”稱號，并將其譽為“新材料之王”，毫無疑問，石墨烯的出現，帶來的是一場全新的科技革命。對于天然石墨來說，其層間作用力十分微小，導致其非常易于剝離。經過層層剝離，直至剩下一層時，即為我們所說的石墨烯，所擁有的厚度僅為0.335nm。

8目前，其使用范圍已經得到了顯著性拓展，能夠用于高速飛行器等方面。同均質復合材料相比較而言，其對應的應力變化更為獨特，因而成為研究的重點所在。由于其性能方面的優(yōu)越性，以及內部應力變化的復雜性，進而使得研究具有極為重要的應用價值�，F今，對于 FGM 的研究也進行了相應的拓展，逐步邁入多元化發(fā)展的范疇。同時，在應用方面也從以前的航空領域逐步拓展至光電、生工等方面。另一方面，材料結構也從金屬領域進行拓展，可以使用合金、聚合物陶瓷等材料進行組合。由此可見，在未來發(fā)展中，梯度材料所具有的重要性必然會得以提升。

值結果分析中，分別選擇環(huán)氧樹脂和純銅作為聚合物基體和金屬層。當石墨烯總的質量分數給GPLg 定時，分別給出 pattern1、pattern種模型每層的石墨烯質量分數表格，并在同一圖中繪制出電壓pattern2、 pattern3 、pattern4 各自撓度響應，分析電壓對每種率的影響。在同一幅圖當中給出 pattern1、pattern2、 pattern3 、pattern4 這撓度響應對比，并分析每種模型對振幅、周期、頻率的影響。當石墨烯總的質量分數由 =0.5%GPLg 到 2%GPLg = 時，分別給 pattern3 、pattern4 四種模型撓度響應對比，并且分析當質量分的振幅、周期、頻率的影響。繪制出當特征尺寸由 l = 0μm逐漸增加1μ m直到 l = 5μm時在電 pattern3 、pattern4 各自的撓度響應圖像，并分析特征尺寸對圖 3.1 石墨烯功能梯度材料撓度響應與相關文獻對比

【參考文獻】

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本文編號：2817525