[發明專利]一種剪切向撓曲電系數的實驗測量裝置及解耦方法

有效

• 申請號: 201910880205.6
• 申請日: 2019-09-18
• 公開（公告）號: CN110632161B
• 公開（公告）日: 2020-09-22
• 發明（設計）人: 嵇輝;徐明龍;劉開園;張舒文;武彤暉;申勝平
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: G01N27/60
• 分類號: G01N27/60;G01R29/00
• 代理公司: 西安智大知識產權代理事務所 61215
• 代理人: 何會俠

一種剪切向撓曲電系數的實驗測量裝置及解耦方法，該實驗測量裝置包括由撓曲電材料加工而成的半圓柱形試件或半圓臺形試件，固定連接在試件兩端的夾持端，位于試件側面對稱分布的電極，與電極相連接的電荷放大器，與電荷放大器連接的信號處理模塊，對試件施加扭矩的加載設備；加載設備對試件輸出扭矩，試件發生扭轉變形；半圓柱沿徑向產生剪切應變梯度而產生電極化，半圓臺沿徑向和軸向分別產生剪切應變梯度而產生電極化；極化電荷通過電極送至電荷放大器并被轉換為電壓信號并傳入信號處理模塊，再結合加載設備的載荷參數、撓曲電材料參數和試件結構參數后，聯立兩種不同形狀試件在純扭轉狀態下的力電耦合方程，即可分別解耦出徑向和軸向撓曲電系數。

技術領域

本發明設計材料科學中的力電耦合技術領域，具體涉及一種剪切向撓曲電系數的實驗測量裝置及解耦方法。

背景技術

撓曲電效應是由非均勻形變在材料內部產生應變梯度致電極化或者電場梯度使材料發生形變的現象，是一種廣泛存在于介電材料中的力電耦合特性。由于其存在于所有介電材料中，撓曲電效應被視為有望于成為壓電效應的替代者。撓曲電效應的研究目前尚處在理論階段，但是撓曲電系數的探究一直是該領域的研究熱點。由于撓曲電系數是一個四階張量，在低對稱性的材料中存在多項撓曲電系數，實驗中測量得的電荷往往是多個撓曲電系數共同作用的。因此，如何解耦撓曲電系數是一個研究難點。

發明內容

為了填充相關實驗領域的空白，本發明的目的在于提供一種剪切向撓曲電系數的實驗測量裝置及解耦方法，即設計半圓柱形和半圓臺形結構試件，通過扭轉變形在試件上構造沿徑向和軸向的剪切應變梯度，從而測量剪切應變梯度致的電極化，繼而測量并分別解耦出徑向和軸向撓曲電系數。

為了達到以上目的，本發明采用如下技術方案。

一種剪切向撓曲電系數的實驗測量裝置，其特征在于：包括由撓曲電材料制成的試件2，與試件2上下端固定連接的夾持端1，位于試件2側面沿軸對稱分布的電極3，與電極3連接的電荷放大器4，與電荷放大器4輸出端連接的信號處理模塊5，輸出扭矩的加載設備6；所述試件2為半圓柱形試件或半圓臺形試件加載設備6夾持住試件2兩端的夾持端1施加扭矩,半圓柱試件沿徑向產生剪切應變梯度而產生電極化，半圓臺試件沿徑向和軸向分別產生剪切應變梯度而產生電極化。

所述試件2的幾何中心與夾持端1保持重合以保證試件2受到純扭轉載荷。

所述電極3的剛度比撓曲電材料2低至少2個數量級并具有良好的導電性。

所述電荷放大器4的測量精度能夠滿足撓曲電材料2微電荷測量的需求。

所述夾持端1為與加載設備6的夾頭形狀相適配的六棱柱形、四棱錐形或圓柱形。

所述的一種剪切向撓曲電系數的實驗測量裝置進行剪切向撓曲電系數的解耦方法，將固定在試件2上的夾持端1與加載設備6連接，當加載設備6輸出扭矩，扭矩通過夾持端1傳遞到試件2，由此試件2發生扭轉變形并產生剪切應變；當試件(2)為半圓柱形時，剪切應變僅在徑向產生應變梯度并由此產生剪切撓曲電致的電極化；當試件(2)為半圓臺形時，剪切應變在徑向以及軸向均產生應變梯度并由此產生兩種剪切撓曲電致的電極化疊加；以上產生的極化電荷通過電極3輸出至電荷放大器4的輸入端，并由電荷放大器將電荷信號轉化成電壓信號并傳入信號處理模塊5，再結合加載設備6的載荷參數、撓曲電材料參數和試件2結構參數后，聯立方程，能夠分別解出沿徑向和沿軸向的剪切撓曲電系數。

所述的分別解出沿徑向和沿軸向的剪切撓曲電系數的方法如下：

試件2在扭轉變形下產生的電荷與材料的剪切應變梯度存在關系；未極化的撓曲電材料中不存在壓電效應，材料的撓曲電效應可簡單表示為：