[發明專利]可調控應變梯度的薄膜材料撓曲電系數測量裝置和方法

有效

• 申請號: 201911373842.0
• 申請日: 2019-12-27
• 公開（公告）號: CN110988494B
• 公開（公告）日: 2021-01-15
• 發明（設計）人: 陳春林;梁旭;申勝平;陳文浩;于亦文;蘭夢蝶
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: G01R29/00
• 分類號: 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

本發明公開了一種可調控應變梯度的薄膜材料撓曲電系數測量裝置和方法，該裝置由兩層長度、寬度和厚度相同的基體梁以及設置在兩層梁之間的長度和寬度與梁相同的測試薄膜形成的三明治結構，由兩個上壓頭和兩個受力支撐件組成的四點1/4彎曲夾具，裝載四點1/4彎曲夾具的小載荷加載儀，與小載荷加載儀連接的控制加載力及加載頻率的控制器，與小載荷加載儀依次連接的電荷放大器和示波器；通過對四點1/4彎曲夾具施力點即兩個上方壓頭的加載控制，實現撓曲電系數測量中對應變梯度的調控；本發明方法簡單，結構模型成本低且易于實現，降低了撓曲電系數測量中對應變梯度控制的難度，降低了薄膜材料撓曲電系數測量的困難。

技術領域

本發明涉及材料科學中的力電耦合技術領域，具體涉及通過夾層結構與四點1/4彎曲模型的具有可調控應變梯度的薄膜材料撓曲電系數測量裝置和方法。

背景技術

力電耦合廣泛存在于人工和天然材料中。壓電效應能夠實現機械能和電能之間的相互轉換，是現代高性能功能器件中的重要組成部分。壓電效應通常指由晶體中應變引起的電極化，或在電場作用下材料產生變形。晶體學理論研究表明僅有微結構具有非中心對稱的晶體才可能具有壓電效應。與壓電效應不同，撓曲電效應作為另一種材料中的力電耦合在中心對稱材料中同樣可以產生電極化，其廣泛存在于固體電介質、軟物質和生物材料中。撓曲電效應指非均勻應變如應變梯度局部破壞晶體的反演對稱，在介電材料中產生的電極化現象。撓曲電效應具有尺寸效應，在微納米尺度下不可忽略且將引起顯著的撓曲電效應。撓曲電效應在微納機電系統、傳感、驅動、能量收集等領域都有著廣闊的應用前景。想要應用撓曲電效應，一個基本而重要的問題就是確定所選用材料的撓曲電系數。然而由于薄膜材料難以直接施加載荷，且很多測量方法中的應變梯度不易調控且不均勻，準確測量薄膜材料的撓曲電系數一直是研究的重點和難點。

撓曲電效應通常定義為：

式中，P_i和ε_kl分別為電極化向量和應變張量分量，μ_ijkl為撓曲電系數， x_j表示位置坐標。

從式中可以看出，對材料施加應變梯度將在材料中產生電極化，通過測量電極化相關的電信號，就可以獲得材料的撓曲電系數。應變梯度的測量與控制，是一個重要問題。然而，目前大多數材料橫向撓曲電系數的測量采用懸臂梁彎曲的方法，鑒于懸臂梁彎曲實驗中應變梯度沿梁長度的分布不均勻性，勢必對撓曲電的測量結果造成影響。

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可調控應變梯度的薄膜材料撓曲電系數測量裝置和方法。

為了達到上述目的，本發明采用如下技術方案：

一種可調控應變梯度的薄膜材料撓曲電系數測量裝置，包括由長度、寬度和厚度相同的上基體梁1-1和下基體梁1-2以及設置在上基體梁1-1和下基體梁1-2之間的與上基體梁1-1和下基體梁1-2長度和寬度相同的測試薄膜2形成的三明治結構，由兩個上壓頭5和兩個受力支撐件4組成的四點1/4彎曲夾具，裝載四點1/4彎曲夾具的小載荷加載儀6，與小載荷加載儀6連接的控制加載力及加載頻率的控制器7，與小載荷加載儀6連接的電荷放大器8以及與電荷放大器8 連接的示波器9；所述四點1/4彎曲夾具的兩個上壓頭5壓合在上基體梁1-1的上表面上，兩個受力支撐件4支撐在下基體梁1-2的下表面上，將三明治結構夾緊，保證測試薄膜2與上基體梁1-1和下基體梁1-2同步變形；所述測試薄膜2的上下表面涂有電極3，電極3的長度小于等于兩個上壓頭5間的距離且電極3設置在兩個上壓頭5之間，電極3通過導線連接電荷放大器8；通過對四點1/4彎曲夾具施力點即兩個上壓頭5的力載荷的控制，實現撓曲電系數測量中對測試薄膜應變梯度的調控。

所述上基體梁1-1和下基體梁1-2的長度為60～100mm，寬度為 8～15mm，厚度為0.8～1.2mm；測試薄膜2的長度和寬度與上基體梁 1-1和下基體梁1-2的長度和寬度相同，厚度為500nm～50μm。