壓電納米材料和結(jié)構(gòu)中的彈性波傳播與散射.pdf

1、納米壓電材料具有機(jī)電耦合性強(qiáng)、尺寸小、功耗低和反應(yīng)靈敏等獨(dú)特性能，已被廣泛用于制造發(fā)電機(jī)、傳感器、驅(qū)動(dòng)器、諧振器和醫(yī)用探測(cè)器等納米智能裝置。高比表/界面積引起的表/界面效應(yīng)是納米材料最重要的結(jié)構(gòu)特征之一，其對(duì)材料的整體性質(zhì)起著決定性的作用。表/界面效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致體應(yīng)力和體電位移在壓電表/界面層的兩側(cè)出現(xiàn)間躍，傳統(tǒng)的力電場(chǎng)連續(xù)性條件將不再適用。此外，對(duì)于壓電納米材料而言，其表/界面效應(yīng)除了表/界面彈性效應(yīng)外，還應(yīng)包含表/界面壓電效應(yīng)和表/界面

2、介電效應(yīng)?？紤]表/界面為不計(jì)厚度的薄層卻擁有獨(dú)立的材料參數(shù)，推廣Young-Laplace方程來描述壓電表/界面處的力電間斷現(xiàn)象，采用表/界面壓電模型計(jì)及表/界面彈性、表/界面壓電性、表/界面介電性、表/界面密度和表/界面殘余場(chǎng)的影響，本文對(duì)幾類典型的納米壓電結(jié)構(gòu)和材料的波動(dòng)性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究，具體內(nèi)容如下:
　　(1)研究了SH型導(dǎo)波在納米壓電板中的傳播特性，給出了頻散方程的解析表達(dá)，結(jié)合數(shù)值算例詳細(xì)討論了表面材料參數(shù)對(duì)對(duì)稱和反

3、對(duì)稱頻散模態(tài)的影響。結(jié)果表明:表面彈性和表面壓電性會(huì)提高波速，相反地，表面介電性和表面密度會(huì)降低波速;表面效應(yīng)對(duì)高階模態(tài)截止頻率的改變是由表面密度主導(dǎo)的，其與表面彈性、表面壓電性和表面介電性幾乎無關(guān)。
　　(2)結(jié)合非局部理論和表面壓電模型，研究了壓電納米板中Lamb型導(dǎo)波的傳播特性。利用子波法推導(dǎo)了控制方程的通解，給出了板邊界處的非典型應(yīng)力和電位移平衡條件，得到了含非局部因子、表面材料參數(shù)和表面殘余應(yīng)力的頻散方程。數(shù)值算例指出:

4、非局部效應(yīng)使得導(dǎo)波只能在小于逃避頻率的頻域內(nèi)傳播，且非局部因子越大，能產(chǎn)生波動(dòng)的頻域越窄;導(dǎo)波的頻散行為表現(xiàn)出了明顯的尺寸相關(guān)性，當(dāng)板厚達(dá)到一個(gè)臨界值時(shí)，表面效應(yīng)和非局部效應(yīng)的影響均可忽略不計(jì)。
　　(3)研究了表面效應(yīng)對(duì)納米壓電薄膜/彈性基底結(jié)構(gòu)中Love型表面波傳播特性的影響，給出了頻散方程的解析表達(dá)式。分析結(jié)果顯示:表面彈性、表面壓電性和表面介電性對(duì)相速度的改變僅體現(xiàn)在高頻范圍內(nèi)，而表面密度對(duì)幾乎整個(gè)頻域內(nèi)的波速都有影響;當(dāng)

5、表面材料參數(shù)滿足一定條件時(shí)，最低階模態(tài)在高頻域內(nèi)會(huì)以頻散的SH型表面波形式傳播。
　　(4)研究了納米壓電薄膜/彈性基底結(jié)構(gòu)中Rayleigh型表面波的傳播特性，揭示了表面材料參數(shù)、表面殘余應(yīng)力和薄膜厚度對(duì)頻散曲線的影響機(jī)制。數(shù)值結(jié)果表明:基階模態(tài)在高頻域內(nèi)會(huì)以頻散的Rayleigh波形式傳播;表面殘余應(yīng)力對(duì)高階模態(tài)沒有影響，其僅改變基階模態(tài)的頻散行為，且取向?yàn)檎⒇?fù)的殘余應(yīng)力會(huì)分別提高和降低波速。
　　(5)基于勢(shì)函數(shù)理論