尺度效应下微压电层合结构非线性特性研究

随着现代工程技术快速进入信息化和智能化，国内外对基于压电材料的微智能结构的研究越来越重视。压电材料在强电场或高应变状态下表现出较强的非线性。而压电器件常常需要在强电场或高应变状态下工作。因此对其非线性特性的研究尤为重要。在MEMS中，压电材料通常通过各种物理化学方法沉积在某种基底上，形成微压电层合结构。而压电层和衬底的厚度常常在微米、亚微米量级。实验证明：结构的特征尺寸在微米量级时，其力学行为与宏观尺寸下显著不同，表现出尺度效应。而对于微压电结构，由于存在力电耦合，尺度效应不但会影响其力学性能，还会影响其压电性能。因此，揭示尺度效应对微压电层合结构非线性特性的影响是必要的。目前国内外对考虑尺度效应的微压电层合结构非线性特性研究还处于空白。本申请项目拟通过理论分析和实验手段，研究尺度效应下微压电层合结构在强电场作用下的静动态非线性特性，为微压电传感器和执行器提供更加符合客观实际的设计依据。

压电材料在强电场下作用下力电性能表现出强非线性，同时，微压电层合结构的力电性能非线性对尺度有依赖性。本课题在考虑尺度效应影响下研究了微压电层合结构的非线性特性。研究结果表明：外电场强度越大，压电材料出现刚度软化现象，压电器件表现的非线性越强；在静电场下，若想得到大的变形量，弹性层和压电层的最优厚度比随着尺度效应的存在而与宏观尺度不同；动态情况下，尺度效应的存在使得微压电层合结构的谐振频率增大；本项目还结合北京大学工学院课题组项目，分析了压电环板的在电场下的位移响应，设计的压电环板器件产生的位移是相同厚度下一般单层压电器件的11-14倍，非常适合做压电位移驱动器。同时，结合南京航空航天大学课题组的科研项目，测试了亚微米级厚度的新研制的压电材料的变形响应，为相关器件设计提供依据。