多孔铁电驻极体薄膜材料的力电性质及其优化设计

系统研究多孔铁电驻极体薄膜材料及其复合结构的力电性质与细观结构的相互作用；弄清楚有效力电性质与细观结构参数之间的关系和时间演化关系；提出多孔铁电驻极体薄膜材料及其复合结构的优化设计理论；针对典型的多孔铁电驻极体薄膜材料及其复合结构，实验实现优化设计的结果并获得力电性质的实验数据。该项目的研究将深化理解多孔铁电驻极体薄膜材料及其复合结构的力电行为及其有效性质，优化设计薄膜的细观结构，提升多孔铁电驻极体材料的整体特性。研究成果对于充分发挥柔性多孔铁电材料的潜力，提升多孔铁电驻极体材料在高技术机电传感器应用中的可靠性，既具有重要的应用价值也有着重要的基础研究意义。

多孔压电驻极体薄膜材料是含分布电荷的孔洞聚合物薄膜材料。在薄膜厚度方向，该材料表现出优越的压电效应，通常可以和压电陶瓷相媲美。再加上聚合物的柔顺性、低成本、与空气和人体相匹配的低声阻抗特性，这些特点使得多孔铁电驻极体薄膜成为近年来柔性功能电子器件和机电智能传感材料的研究热点之一。本项目对多孔压电驻极体薄膜材料的有效力电性质的理论建模和数值模拟开展了系统的研究。将含分布电荷的孔洞看成压电夹杂，建立了多孔压电驻极体有效力电性质的细观力学模型；将聚合物基体看成粘弹性材料，进一步建立了粘弹性基体的压电复合材料的细观力学模型，研究了多孔压电驻极体薄膜材料有效力电系数随时间的演化关系，实验测量并获得了不同压力和不同薄膜厚度样品的有效压电系数随时间演化关系的实验数据，理论与实验结果吻合。成果发表在固体力学著名刊物Journal of the Mechanics and Physics of Solids、应用物理的著名刊物Applied Physics Letters和Journal of Applied Physics上。 在数值模拟方面，采用中空扁平十四面体模拟多孔压电驻极体薄膜材料内的孔洞，建立了有限元模型，系统研究了多孔压电驻极体薄膜材料有效力电性质及其随时间演化行为；将多孔压电驻极体材料看成是含有带电孔洞的周期材料，将含分布电荷的孔洞看成是压电夹杂，基于压电复合材料的渐近均匀化方法理论框架，结合代表性体元的有限元分析，给出了多孔压电驻极体材料的宏观有效力电性质。本项目所获得的一系列创新性成果，不仅提供了模拟多孔压电驻极体薄膜材料有效性质的理论方法和模型，从而能系统考察多孔压电驻极体薄膜材料有效力电性质随孔洞微结构参数的关系，而且为多孔压电驻极体薄膜材料的微结构优化设计提供了理论基础。另外，在本项目的资助下，本项目还开展了压电压磁材料裂纹问题等其他一些相关研究。