纳米尺度压电/压磁俘能器的弯曲模态研究

Based on the surface effect theory of the nano-scale structures and the influences of the multi-field coupling of mechanical-electric-magnetic, the nano-scale piezoelectric/piezomagnetic energy harvesters with the flexural mode are studied. The analytical model of the nano energy harvesters are established with surface effect and multi-field coupling effect. The energy harvesting performance of the nano-scale piezoelectric/piezomagnetic energy harvesters with flexural mode are systematically researched. The influences of surface effect and multi-field coupling on the mechanical properties are analyzed. Accordingly, the important parameters of the nano-scale energy harvesters can be adjusted reasonably and effectively. As a result, the energy harvester structures and devices with multi-field properties, which can be applied to nano scale, would be optimized. This project is attempted to describe the mechanical behaviors of nano energy harvester with the macroscopic scale methods based on the surface elastic theory. Then it is hoped to explore a method which can be used for energy harvesting characteristics for the nano piezoelectric/piezomagnetic energy harvesters. Furthermore, the theoretical basis is useful for the engineering application of the nano-scale energy harvesters. In addition, the project is expected to improve the theory and method of the multi-field coupling of nano-scale piezoelectric/piezomagnetic energy harvesters.

考虑纳米尺度结构的表面效应理论，以基于弯曲模态的纳米尺度压电/压磁俘能器为研究对象，建立力-电-磁多场耦合条件下的纳米俘能器的分析模型。系统研究弯曲模态情况下，纳米压电/压磁俘能器的能量俘获特性。分析表面效应、多场耦合特性对纳米俘能器力学性能的影响。从而对纳米俘能器中的重要指标参数进行合理而有效地调节，优化设计相应的多场耦合俘能结构与器件。本项目将基于表面弹性理论，尝试应用宏观尺度力学问题的研究方法描述纳米俘能器的力学行为，探索出一套解决考虑表面效应时，纳米压电/压磁俘能器能量俘获问题的求解方法，有助于发展和完善纳米尺度下，力-电-磁多物理场耦合俘能器的理论与方法，为该结构的优化设计、以及促进纳米尺度俘能器的工程应用提供理论基础。

俘能结构能够从周围的工作环境中提取能量为元器件供电，从而可以克服传统供能方式的一些局限性。本课题考虑纳米尺度结构的表面效应理论，以基于弯曲模态和剪切模态的纳米尺度压电、压电/压磁俘能器为研究对象，建立力-电-磁多场耦合条件下的纳米俘能器的分析模型。系统研究了纳米压电、压电/压磁俘能器的能量俘获特性。分析了表面效应、多场耦合特性对纳米俘能器力学性能的影响。得到以下结论：对于纳米尺度压电俘能器，共振频率依赖于材料的表面弹性常数、表面压电常数；而能量采集密度对表面压电常数的变化更为敏感。对于纳米尺度压电/压磁俘能器，压电与压磁材料的厚度比会显著影响俘能结构的能量采集能力。当结构的总厚度不变时，增大压电与压磁材料的厚度比，压电/压磁俘能器的能量采集密度会得以相应提高。此外，在压电俘能器的设计中引入孔隙特性，可以改善压电材料的固有脆性给俘能结构带来的安全隐患和不良影响。因此，本课题还研究了包含孔隙的纳米压电俘能器的力学性能。得到以下结论：增大纳米材料的表面流固耦合介电常数、减小流固耦合介电常数、减小表面流固耦合压电常数，都可以令结构获取较高的俘能密度。同时，由于孔隙特性的引入，还可以大幅提高结构的俘能能力。对纳米俘能器中的重要指标参数进行合理而有效地调节，可以优化设计相应的多场耦合俘能结构与器件。本项目基于表面弹性理论，应用宏观尺度力学问题的研究方法描述纳米俘能器的力学行为，探索出一套解决考虑表面效应时，纳米压电/压磁俘能器能量俘获问题的求解方法，有助于发展和完善纳米尺度下，力-电-磁多物理场耦合俘能器的理论与方法，为该结构的优化设计、以及促进纳米尺度俘能器的工程应用提供理论基础。