基于挠曲电效应的微纳米软作动器力电耦合特性与调控方法研究

In recent years, research on novel mirco/nano scale flexoelectric soft actuators has attracted more and more attention that provided new methodology and idea for design and fabrication of soft actuators. However, there still exist many urgent technical challenges to be overcome, such as theoretical modeling, material performance test and micro/nano scale fabrication. Therefore, this project aims to develop a nonlinear mechanical model based on continuum theory, material nonlinearity and large deformation to study the electro-mechanical coupling behaviors of micro/nano scale flexoelectric soft actuators; to reveal the effects of surface effect, viscoelasticity and biasing field on the dimension, response speed and deformation of soft actuators so as to accurately predict the electro-mechanical coupled response and efficiently control the performance of soft actuators. Through this project, it is capable of deepening people’s understanding of the working principle and the factors affecting the performance of novel mirco/nano scale flexoelectric soft actuators. It is also capable of promoting the study of mechanism and design techniques for flexoelectric soft actuators. The results can provide important guidance for accurate design and fabrication of micro/nano scale flexoelectric soft actuators.

近年来基于挠曲电效应的新型微纳米软作动器研究开始受到关注，它为软作动器件的设计与制造提供了新的方法和思路，但是目前在理论建模分析、材料性能测量和微纳米加工制造等领域仍有着急需解决的技术难题。为此本项目拟通过发展基于连续介质理论、材料非线性和几何大变形的非线性力学模型，对基于挠曲电效应的微纳米软动作器力电耦合特性进行理论研究；揭示表面效应、材料粘弹性效应、力电偏场等因素对挠曲电软作动器的设计尺寸、响应速度、变形能力等的影响规律，以准确预测挠曲电软作动器的力电耦合响应和实现对软作动器性能的有效调控。对本项目研究，可以深化人们对新型微纳米软作动器工作机制和性能影响因素的认识，可以推动挠曲电软作动器作动机理研究和器件设计方法的快速发展，对精确设计和制造微纳米挠曲电软作动器件具有重要指导意义。

基于挠曲电效应的新型微纳米软作动器的研究，为新型智能作动器件的设计与制造提供了新的设计思路和设计方法。软介电材料因较低的模量，为基于挠曲电效应的作动器件设计提供了可能。本项目基于一种层状的压电作动器件，建立了热-力-电多场耦合模型，研究了压电作动器件在考虑挠曲电效应和不考虑挠曲电效应情形下的力电耦合特性变化，对压电作动器件的性能预测具有重要意义。具体包括：（1）基于线性本构理论，建立了考虑挠曲电效应的层状压电作动器件的力学模型，分析了挠曲电效应对层状结构应力分布的影响，以及研究了结构的尺寸效应，得出不同尺寸条件下，作动器件自由端应力的应力分布状态、挠度与极化强度等物理量变化；采用基于独立坐标系的瑞利里兹法，建立了正交各向异性智能贴片结构的动力学模型，研究了不同智能贴片结构在考虑挠曲电效应和不考虑挠曲电效应时的振动特性变化，为多贴片型挠曲电作动器件的设计打下了基础；（2）基于Prony级数和应力函数法，建立了层状作动结构在考虑材料粘弹性效应时的应力松弛模型，求解了应力、应变、电场、温度场等物理量的变化趋势，为器件服役期间的性能分析提供了参考，为进一步设计基于挠曲电效应的软作动器提供了指导；（3）建立了二维温度场作用下作动器件的力学分析模型，研究了不同温度场、热传导点等因素对层状作动器件内部的变形、应力变化的影响，以及瞬态温度变化问题。研究表明可以通过在热传导点施加不同的温度载荷，可对作动器件的性能实现调控，达到预期的性能要求，以及提高器件的使用寿命等。本项目所获得的一些创新成果，不仅为基于挠曲电效应的作动器件设计提供了分析模型和方法，也为作动器件的优化设计与调控提供了手段。通过对考虑挠曲电效应和不考虑挠曲电效应时的器件性能分析与对比，对压电层状作动器的临界尺寸设计问题具有参考意义，也为基于挠曲电效应的软作动器件应用提供了指导。