本文關鍵詞：壓電納米材料和結構中的彈性波傳播與散射　出處：《北京交通大學》2017年博士論文　論文類型：學位論文

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【摘要】：納米壓電材料具有機電耦合性強、尺寸小、功耗低和反應靈敏等獨特性能,已被廣泛用于制造發(fā)電機、傳感器、驅動器、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/界面效應是納米材料最重要的結構特征之一,其對材料的整體性質(zhì)起著決定性的作用。表/界面效應會導致體應力和體電位移在壓電表/界面層的兩側出現(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/界面效應除了表/界面彈性效應外,還應包含表/界面壓電效應和表/界面介電效應�？紤]表/界面為不計厚度的薄層卻擁有獨立的材料參數(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構和材料的波動性能進行了系統(tǒng)研究,具體內(nèi)容如下:(1)研究了 SH型導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,結合數(shù)值算例詳細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;表面效應對高階模態(tài)截止頻率的改變是由表面密度主導的,其與表面彈性、表面壓電性和表面介電性幾乎無關。(2)結合非局部理論和表面壓電模型,研究了壓電納米板中Lamb型導波的傳播特性。利用子波法推導了控制方程的通解,給出了板邊界處的非典型應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)和表面殘余應力的頻散方程。數(shù)值算例指出:非局部效應使得導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;導波的頻散行為表現(xiàn)出了明顯的尺寸相關性,當板厚達到一個臨界值時,表面效應和非局部效應的影響均可忽略不計。(3)研究了表面效應對納米壓電薄膜/彈性基底結構中Love型表面波傳播特性的影響,給出了頻散方程的解析表達式。分析結果顯示: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/彈性基底結構中Rayleigh型表面波的傳播特性,揭示了表面材料參數(shù)、表面殘余應力和薄膜厚度對頻散曲線的影響機制。數(shù)值結果表明: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,且取向為正、負的殘余應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,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;相比于動應力,電勢對界面壓電性和界面介電性的改變要更為敏感。
【學位授予單位】：北京交通大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TB383.1

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前7條

1 景蔚萱;王兵;牛玲玲;齊含;蔣莊德;陳路加;周帆;;ZnO納米線薄膜的合成參數(shù)、表面形貌和接觸角關系研究[J];物理學報;2013年21期

2 徐曉建;鄧子辰;;非局部因子和表面效應對微納米材料振動特性的影響[J];應用數(shù)學和力學;2013年01期

3 ;Interface stress around a nanosized spherical inhomogeneity under asymmetric dynamic loads[J];Science China(Physics,Mechanics & Astronomy);2012年10期

4 ;A continuum theory of surface piezoelectricity for nanodielectrics[J];Science China(Physics,Mechanics & Astronomy);2011年04期

5 ;SURFACE STRESS EFFECT IN MECHANICS OF NANOSTRUCTURED MATERIALS[J];Acta Mechanica Solida Sinica;2011年01期

6 湯偉,朱定一,陳麗娟,關翔鋒;基于分子動力學結合神經(jīng)網(wǎng)絡的Au表面能計算方法[J];中國有色金屬學報;2005年01期

7 楊 衛(wèi),馬新玲,王宏濤,洪 偉;納米力學進展[J];力學進展;2002年02期

中國博士學位論文全文數(shù)據(jù)庫 前2條

1 潘夏輝;表/界面彈性唯象理論的拓廣及彈性表面熱力學[D];清華大學;2011年

2 王立峰;一維納米結構的若干力學問題[D];南京航空航天大學;2005年

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本文編號：1315048