压电材料多次压电效应理论模型的仿真研究

摘要

自1880年Curie兄弟在石英晶体上发现压电效应以来，压电效应的理论和应用研究已取得了突飞猛进的发展。然而，一直以来的压电效应研究均属于一次压电效应领域。由于科学技术发展和工程实际需要，随着多次压电效应的感生电场和感生应变越来越微小化，需要进一步对多次压电效应的理论与应用进行研究。 本文分析了一次、二次以及多次压电效应与压电体机械、电学边界条件的关系，讨论了多次压电效应产生的前提是满足相应边界条件，结合不同边界条件，进行了从一次正、一次逆压电效应开始的多次压电效应的理论分析，建立了多次压电效应的解析表达式，分析了多次压电效应对压电体介电系数、弹性系数、压电系数的影响规律。在此基础上，本文分别针对压电石英晶片和PZT-5压电陶瓷片进行建模，运用大型有限元分析软件ANSYS对从正压电效应开始的一次正、二次逆以及从逆压电效应开始的一次逆、二次正进行了模拟仿真，证明了二次正、逆压电效应的存在，把输出结果和多次压电效应表达式计算结果进行比较，验证了理论解析表达式的正确性。 在理论分析和模型仿真的基础上，本文使用PZT-5压电陶瓷的叠堆形式，进行了从正压电效应开始的一次正、二次逆、三次正压电效应以及从逆压电效应开始的一次逆、二次正、三次逆压电效应的实验验证，证明了多次压电效应的存在。 由于多次压电效应的各次正、逆压电效应是在同一压电体内依次存在的双向效应，其原理特别适合应用于传感器、执行器集成一体化的研究。因此，该研究对于微机电系统(MEMS)的发展具有积极意义。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1课题的来源及意义

1.2压电效应的研究历史及国内外现状

1.3压电材料的发展与应用

1.4本文的主要内容

2压电效应、压电方程与边界条件

2.1压电效应与压电材料

2.1.1压电学与压电效应

2.1.2压电材料的分类

2.2压电方程与边界条件

2.2.1边界条件

2.2.2压电方程

2.3多次压电效应与边界条件的关系

2.3.1压电振子的四类边界条件

2.3.2一次压电效应与边界条件的关系

2.3.3二次压电效应与边界条件的关系

2.3.4多次压电效应与边界条件的关系

2.4压电效应与电磁效应的相似性分析

2.4.1能量间物质效应模型

2.4.2压电效应与电磁效应的相似性

2.5本章小结

3多次压电效应的理论模型

3.1正压电效应开始的多次压电效应的理论分析

3.2正压电效应开始的多次压电效应对物性常数的影响

3.2.1正压电效应开始的多次压电效应对弹性系数的影响

3.2.2正压电效应开始的多次压电效应对压电系数的影响

3.3逆压电效应开始的多次压电效应的理论分析

3.4逆压电效应开始的多次压电效应对物性常数的影响

3.4.1逆压电效应开始的多次压电效应对介电系数的影响

3.4.2逆压电效应开始的多次压电效应对压电系数的影响

3.5本章小结

4多次压电效应的ANSYS模型仿真

4.1ANSYS有限元分析软件应用基础

4.1.1ANSYS软件简介

4.1.2ANSYS分析流程

4.1.3ANSYS压电分析基础

4.2压电石英与压电陶瓷特性

4.2.1压电石英特性

4.2.2压电陶瓷特性

4.3多次压电效应的ANSYS模型仿真

4.3.1压电片基本参数

4.3.2模型的建立和网格划分

4.3.3一次正压电效应的模型仿真

4.3.4正压电效应开始的二次逆压电效应模型仿真

4.3.5一次逆压电效应的模型仿真

4.3.6逆效应开始的二次正效应模型仿真

4.4本章小结

5多次压电效应的实验研究

5.1实验设备

5.2压电叠堆的性质

5.2.1压电叠堆的基本原理

5.2.2压电叠堆的基本参数及其预紧力

5.3一次压电效应实验研究

5.4二次压电效应试验研究

5.4.1正压电效应开始的二次逆压电效应实验

5.4.2逆压电效应开始的二次正压电效应实验

5.5三次压电效应实验研究

5.5.1正压电效应开始的三次正压电效应实验

5.5.2逆压电效应开始的三次逆压电效应实验

5.6本章小结

结论

参考文献

附录A实验相关照片

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢