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電耦合性強、尺寸小、功耗低和反應(yīng)靈敏等獨特性能，已被廣泛用于制造發(fā)電機、傳感器、驅(qū)動器、諧振器和醫(yī)用探測器等納米智能裝置。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，其對材料的整體性質(zhì)起著決定性的作用。表/界面效應(yīng)會導致體應(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)的力電場連續(xù)性條件將不再適用。此外，對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/界面為不計厚度的薄層卻擁有獨立的材料參數(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/界面殘余場的影響，本文對幾類典型的納米壓電結(jié)構(gòu)和材料的波動性能進行了系統(tǒng)研究，具體內(nèi)容如下:
　　(1)研究了SH型導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，結(jié)合數(shù)值算例詳細討論了表面材料參數(shù)對對稱和反

3、對稱頻散模態(tài)的影響。結(jié)果表明:表面彈性和表面壓電性會提高波速，相反地，表面介電性和表面密度會降低波速;表面效應(yīng)對高階模態(tài)截止頻率的改變是由表面密度主導的，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型導波的傳播特性。利用子波法推導了控制方程的通解，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)生波動的頻域越窄;導波的頻散行為表現(xiàn)出了明顯的尺寸相關(guān)性，當板厚達到一個臨界值時，表面效應(yīng)和非局部效應(yīng)的影響均可忽略不計。
　　(3)研究了表面效應(yīng)對納米壓電薄膜/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式。分析結(jié)果顯示:表面彈性、表面壓電性和表面介電性對相速度的改變僅體現(xiàn)在高頻范圍內(nèi)，而表面密度對幾乎整個頻域內(nèi)的波速都有影響;當

5、表面材料參數(shù)滿足一定條件時，最低階模態(tài)在高頻域內(nèi)會以頻散的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)力和薄膜厚度對頻散曲線的影響機制。數(shù)值結(jié)果表明:基階模態(tài)在高頻域內(nèi)會以頻散的Rayleigh波形式傳播;表面殘余應(yīng)力對高階模態(tài)沒有影響，其僅改變基階模態(tài)的頻散行為，且取向為正、負的殘余應(yīng)力會分別提高和降低波速。
　　(5)基于勢函數(shù)理論