多场作用下功能梯度介电晶体材料中的挠曲电效应及其机理分析

The flexoelectric effect is characterized by its powerful electromechanical coupling coefficient, remarkable size effect, environmentally friendly, the large strain gradient induced by highly asymmetry and no special requirement for operating environmental and temperature. Consequently, this type of materials will have great development potential in electromechanical conversion materials. In this work, we will conduct in-depth study of flexoelectric effect in functionally graded materials thermo-electro-mechanical field and reveals the influences of microstructure, gradient distribution, temperature and strain gradient on the polarization of flexoelectric materials. Based on the theories of micromechanics, strain gradient and thermodynamics, constitutive models which can accurately characterize the macroscopic properties of functionally gradient flexoelectric materials, such as electrostatics and mechanics properties are established. In this framework, the problems such as heat conduction, deformation and polarization of materials with various material gradient distribution functions are analyzed, systematically. And the results show that this type of functional materials possess more unique superiority than a single homogeneous flexoelectric material or a traditional functionally graded material. Meanwhile, rigorous experiments will be conducted to verify the correctness and validity of the theoretic model.

由于挠曲电效应具有强力电耦合效应、显著的尺度效应、及对环境温度无特定要求等优点，因此在传感、驱动方面呈现出的优良特性使其在结构健康监测领域具有极大应用前景。本课题针对在力-热-电场共同作用下功能梯度介电晶体材料中的挠曲电效应产生机理进行分析，揭示了材料细观结构、材料梯度分布、温度、应变梯度等因素对材料电极化的影响; 结合细观力学、应变梯度理论和热动力学理论, 建立一种能准确表征功能梯度介电晶体材料挠曲电效应的静电学与力学等宏观性能的本构模型; 在该理论框架下系统地对具有不同材料梯度分布函数材料的热传导、变形与电极化特性等问题进行具体分析，展示该材料与单一的均匀挠曲电材料或传统功能梯度材料相比具有更加独特的优越性，并通过试验测试获得试验数据与其进行比较，验证理论的正确性与有效性。

挠曲电效应描述的是应变梯度诱导电介质极化以及电场梯度诱导电介质变形的现象。不同于传统的压电效应，该效应作为一种新型的机电耦合效应，具有不受介电材料的结构对称性和居里温度限制、小尺寸效应等特点。这一课题的早期研究主要着眼于液晶和生物薄膜。近年来，纳米技术的出现也显示了该效应在固体结构中的重要性，如柔性电子、薄膜、俘能器等。由于传统块状介电材料难以获得大的应变梯度的局限性，许多学者采用特殊形状结构（棱锥台、管状锥形台）和复合结构材料（层合板、周期层状结构）来探究材料的挠曲电耦合性能。然而，上述的材料结构模型具有力学缺陷以及难于应用实际的工程结构。. 功能梯度材料是一种先进的功能性复合材料，其组成成分在空间上呈现连续且不均匀的分布结构，具有优良的力学性能和工程应用价值。同时，由于结构不均匀的分布特性，导致对称性破坏，进而诱导大的不均匀应变场的挠曲电耦合现象。本文以功能梯度介电材料为研究对象，对该类型复合介电材料的力学性能、挠曲电机电耦合性能、尺寸效应以及实际工程应用进行了深入的研究, 研究内容主要包括：. 基于细观力学的方法，预测了球形夹杂的复合材料的等效挠曲电系数。基于控制方程，可将应变梯度相关的挠曲电系数转化为等效的高阶弹性系数。.在挠曲电理论框架下，发展了一种包含2个拉梅常数和3个独立的应变梯度尺度参量的一般形式的挠曲电理论，该理论考虑了电介质的尺寸效应、极化梯度效应和挠曲电效应。. 挠曲电系数是评价材料的力电耦合性能优良的一个重要的参数指标。基于一般性挠曲电理论的框架，预测了功能梯度非压电圆柱体的挠曲电极化性能和有效的挠曲电系数。. 应用挠曲电理论，设计了一个功能梯度挠曲电俘能器，研究了该俘能器在非线性自由振动的条件下的机电耦合行为。结果表明，功能梯度挠曲电俘获器的能量俘获性能优于由均匀材料组成的俘能器。.本项目的研究结果，为新型器件的创新与开发提供了有意义的指导作用。