考虑挠曲电及界面效应的压电层合结构中的波传播特性研究

To gain better performances and miniaturize devices, people tend to fabricate the piezoelectric layered structures in nano scale. The key problem is how to account the effects of the flexoelectricity and interface on the elastic waves correctly. This project focuses on the development of the elastic wave theory which takes the flexoelectric and interface effects into account, and investigates the wave motion in the piezoelectric layered structures. In this project, for non-periodic layered structures, we will investigate the influences of the properties of every layer, layer thickness and incidence angle on the reflection and transmission waves in the interface, and derive the relations between the phase velocity, dispersion and bias fields, layer thickness. Then, we will discuss the effects of bias fields on the propagation of surface waves, and explore the effects of the flexoelectricity and interface on the propagation of surface waves and the critical scales of each effect. For periodic layered structures, we will calculated its band structures, and analyze the effects of properties of every layer in the periodic representative cell, the number and arrangement of layers in a representative cell, layer thickness on the wave propagations. Finally, we will explore the effects of the interface and flexoelectricity on the wave propagation, and prob the possibility to enhance the electromechanical coupling behavior through the interface engineering and the flexoelectricity. This project will provide the theoritical basis and analysis method for discussing the wave propagation in piezoelectric layered structures and the design of electro-acoustic devices.

为获更优性能及器件微型化的需要，国际上趋于将压电材料制备成纳尺度层合结构，如何正确考虑挠曲电及界面效应是其力电耦合波问题的关键。本项目发展能同时考虑挠曲电和界面效应的压电层合结构波传播理论，研究弹性波在周期/非周期压电层合结构中的传播特性。通过本项目的研究，得到非周期压电层合结构中组元性能、层厚、入射角等参数对弹性波在界面反射和透射的作用，给出压电层合结构中几类表面波的相速度、色散关系与偏场、层厚等参数的关系，探讨偏场对压电层合结构中表面波传播特性的作用，揭示挠曲电与界面效应对表面波传播特性的影响并探讨各效应的临界尺度；计算周期压电层合结构的能带结构，分析其周期胞元中组元材料性能、组元数目、层厚、排列方式等参数对传输特性的影响。揭示挠曲电与界面效应对波传播的影响，探讨通过界面设计及挠曲电效应，提高压电层合结构的换能效率的可能性。为压电层合结构波传播分析和声波器件设计提供理论基础与分析手段。

如何正确考虑挠曲电及界面效应是微纳尺度层合结构力电耦合弹性波问题的关键。本项目基于考虑挠曲电效应的纳米电介质理论，研究了半无限大介质中弹性波的传播特性，考虑了挠曲电、微惯性以及应变梯度弹性效应的影响，获得了半无限大介质中纵波的色散关系、相速度以及群速度，分析了挠曲电效应、微惯性以及应变梯度对半无限大介质中弹性波传播行为的影响。建立了层状声子晶体结构的理论模型，研究了层状声子晶体结构中的弹性波，考虑了挠曲电效应以及应变梯度弹性效应的影响，分析了子层厚度、挠曲电效应以及晶格常数对声子晶体带宽的影响，为准确掌握层状声子晶体结构中弹性波的传播特性提供了理论基础。提出了压电层基底结构的理论模型，研究了层状压电结构Love波传播行为，分析了压电层厚度、挠曲电效应对层状压电结构中Love波传播行为的影响，为提高表面声波器件的性能提供了新的途径。基于Green函数法，给出了压电材料纳米夹杂问题的一般解，考虑了挠曲电和界面效应的影响，研究了挠曲电效应对纳米压电复合材料有效参数的影响，为准确掌握纳米尺度压电复合材料力电耦合行为提供了理论支撑。开发了一种材料挠曲电系数的动态测量方法，利用冲击实验测量了BaTiO3和BaSrTiO3材料的纵向挠曲电系数。