CN110988494A - 一种可调控应变梯度的薄膜材料挠曲电系数测量装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可调控应变梯度的薄膜材料挠曲电系数测量装置和方法，该装置由两层长度、宽度和厚度相同的基体梁以及设置在两层梁之间的长度和宽度与梁相同的测试薄膜形成的三明治结构，由两个上压头和两个受力支撑件组成的四点1/4弯曲夹具，装载四点1/4弯曲夹具的小载荷加载仪，与小载荷加载仪连接的控制加载力及加载频率的控制器，与小载荷加载仪依次连接的电荷放大器和示波器；通过对四点1/4弯曲夹具施力点即两个上方压头的加载控制，实现挠曲电系数测量中对应变梯度的调控；本发明方法简单，结构模型成本低且易于实现，降低了挠曲电系数测量中对应变梯度控制的难度，降低了薄膜材料挠曲电系数测量的困难。
Description
技术领域
本发明涉及材料科学中的力电耦合技术领域，具体涉及通过夹层结构与四点1/4弯曲模型的具有可调控应变梯度的薄膜材料挠曲电系数测量装置和方法。
背景技术
力电耦合广泛存在于人工和天然材料中。压电效应能够实现机械能和电能之间的相互转换，是现代高性能功能器件中的重要组成部分。压电效应通常指由晶体中应变引起的电极化，或在电场作用下材料产生变形。晶体学理论研究表明仅有微结构具有非中心对称的晶体才可能具有压电效应。与压电效应不同，挠曲电效应作为另一种材料中的力电耦合在中心对称材料中同样可以产生电极化，其广泛存在于固体电介质、软物质和生物材料中。挠曲电效应指非均匀应变如应变梯度局部破坏晶体的反演对称，在介电材料中产生的电极化现象。挠曲电效应具有尺寸效应，在微纳米尺度下不可忽略且将引起显著的挠曲电效应。挠曲电效应在微纳机电系统、传感、驱动、能量收集等领域都有着广阔的应用前景。想要应用挠曲电效应，一个基本而重要的问题就是确定所选用材料的挠曲电系数。然而由于薄膜材料难以直接施加载荷，且很多测量方法中的应变梯度不易调控且不均匀，准确测量薄膜材料的挠曲电系数一直是研究的重点和难点。
挠曲电效应通常定义为：
式中，Pi和εkl分别为电极化向量和应变张量分量，μijkl为挠曲电系数，xj表示位置坐标。
从式中可以看出，对材料施加应变梯度将在材料中产生电极化，通过测量电极化相关的电信号，就可以获得材料的挠曲电系数。应变梯度的测量与控制，是一个重要问题。然而，目前大多数材料横向挠曲电系数的测量采用悬臂梁弯曲的方法，鉴于悬臂梁弯曲实验中应变梯度沿梁长度的分布不均匀性，势必对挠曲电的测量结果造成影响。
发明内容
为了填充相关实验领域的空白，本发明的目的在于提供一种可调控应变梯度的薄膜材料挠曲电系数测量装置和方法。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种可调控应变梯度的薄膜材料挠曲电系数测量装置，包括由长度、宽度和厚度相同的上基体梁1-1和下基体梁1-2以及设置在上基体梁1-1和下基体梁1-2之间的与上基体梁1-1和下基体梁1-2长度和宽度相同的测试薄膜2形成的三明治结构，由两个上压头5和两个受力支撑件4组成的四点1/4弯曲夹具，装载四点1/4弯曲夹具的小载荷加载仪6，与小载荷加载仪6连接的控制加载力及加载频率的控制器7，与小载荷加载仪6连接的电荷放大器8以及与电荷放大器8连接的示波器9；所述四点1/4弯曲夹具的两个上压头5压合在上基体梁1-1的上表面上，两个受力支撑件4支撑在下基体梁1-2的下表面上，将三明治结构夹紧，保证测试薄膜2与上基体梁1-1和下基体梁1-2同步变形；所述测试薄膜2的上下表面涂有电极3，电极3的长度小于等于两个上压头5间的距离且电极3设置在两个上压头5之间，电极3通过导线连接电荷放大器8；通过对四点1/4弯曲夹具施力点即两个上压头5的力载荷的控制，实现挠曲电系数测量中对测试薄膜应变梯度的调控。
所述上基体梁1-1和下基体梁1-2的长度为60～100mm，宽度为8～15mm，厚度为0.8～1.2mm；测试薄膜2的长度和宽度与上基体梁1-1和下基体梁1-2的长度和宽度相同，厚度为500nm～50μm。
所述三明治结构和四点1/4弯曲夹具形成的四点1/4弯曲梁测量模型中，通过对四点1/4弯曲夹具施力点即上方两个上压头5的力载荷控制，在简谐形式的加载下压弯四点1/4弯曲梁测量模型，使测试薄膜2产生应变梯度。
所述上基体梁1-1和下基体梁1-2的材料为有机玻璃，测试薄膜2的材料为聚偏氟乙烯PVDF，四点弯曲夹具的材料为304不锈钢。
所述电极3的长度为10～30mm。
所述的可调控应变梯度的薄膜材料挠曲电系数测量装置的测量方法，由控制器7控制小载荷加载仪6加载，在控制器7中输入施加力载荷的值与加载频率的值，确认后启动，实现小载荷加载仪6中装载的四点弯夹具的两个上压头5按输入值施加力加载；测试薄膜2输出的电信号数据，通过电极3输入至电荷放大器8，电荷放大器8中的电荷信号输出到示波器9，由示波器9显示储存；
测量获得对应频率下的电荷信号数据与力载荷数据，通过力载荷数据计算得到对应的应变梯度，将同一频率不同力载荷下电荷与应变梯度的关系线性拟合，所得到的直线的斜率再除以电极面积，则计算得到挠曲电系数；计算公式如下：
式中，Q为示波器9读取电荷放大器8采集得到的电荷量，F为控制器7控制施加给每个上压头5的压力，κ表示应变梯度，l为四点1/4弯曲梁测量模型的跨距即两个受力支撑件4之间的距离，b为上基体梁1-1、下基体梁1-2以及测试薄膜2的宽度，hs为上基体梁1-1和下基体梁1-2的厚度，hf为测试薄膜2的厚度，Ae为电极3的面积，c11 s为上基体梁1-1和下基体梁1-2的杨氏模量，c11 f为测试薄膜2的杨氏模量。
所述装置中上基体梁1-1和下基体梁1-2的材料尺寸完全一致，测试薄膜2的长宽尺寸与上基体梁1-1和下基体梁1-2一致，保证测试薄膜2的中性层与三明治结构的中性层在同一位置，避免因中性层偏置导致的计算误差。
本发明具有以下优点：
1、本发明通过四点1/4弯曲梁测量模型两上压头间为纯弯曲的优点，避免了薄膜挠曲电系数测量应变梯度不均匀的问题；通过控制给上压头施加力载荷的方式来控制应变梯度的变化。
2、具有调控应变梯度的功能，通过对四点1/4弯曲夹具上压头5加载力的控制，实现对应变梯度的调控。
3、本发明的实验装置简单易行，成本低。
4、利用本发明进行薄膜材料的挠曲电系数测量，可以实现薄膜材料中性层与实验结构中性层位置一致，避免了测量中因这种原因导致的误差。
5、利用本发明进行薄膜材料的挠曲电系数测量，可以实现测量段均匀的应变梯度，提升了测量得到挠曲电系数的准确性。
6、利用本发明进行薄膜材料的挠曲电系数测量，可以从电荷与应变梯度关系的线性拟合中计算挠曲电系数，提升了测量得到挠曲电系数的准确性。
附图说明
图1为四点1/4弯曲梁测量模型示意图。
图2为本发明挠曲电系数测量装置的整体实验测试系统示意图。
图3为具体实施方式中采集的电荷信号随加载应变梯度的变化。
具体实施方式
下面将结合附图及具体实例来详细说明本发明，但并不作为对本发明的限定。
如图1和图2所示，本发明一种可调控应变梯度的薄膜材料挠曲电系数测量装置，包括由长度、宽度和厚度相同的上基体梁1-1和下基体梁1-2以及设置在两层梁之间的长度和宽度与梁相同的测试薄膜2形成的三明治结构，由两个上压头5和两个受力支撑件4组成的四点1/4弯曲夹具，装载四点1/4弯曲夹具的小载荷加载仪6，与小载荷加载仪6连接的控制加载力及加载频率的控制器7，与小载荷加载仪6连接的电荷放大器8以及与电荷放大器8连接的示波器9；所述四点1/4弯曲夹具的两个上压头5压合在上基体梁1-1的上表面上，两个受力支撑件4支撑在下基体梁1-2的下表面上，将三明治结构加紧，保证测试薄膜2与上基体梁1-1和下基体梁1-2同步变形；所述测试薄膜2的上下表面涂有电极3，电极3的长度小于等于两个上压头5间的距离且电极3设置在两个上压头5之间，电极3通过导线连接电荷放大器8；通过对四点1/4弯曲夹具施力点即两个上压头5的力载荷的控制，实现挠曲电系数测量中对测试薄膜应变梯度的调控。
作为本发明优选的实施方式，所述上基体梁1-1和下基体梁1-2的长度为60～100mm，更优选的，长度为80mm，宽度为8～15mm，更优选的，宽度为10mm，厚度为0.8～1.2mm，更优选的，厚度为1mm；测试薄膜2的长度和宽度与上基体梁1-1和下基体梁1-2的长度和宽度相同，厚度为500nm～50μm，更优选的，厚度为10μm。所述装置中上基体梁1-1和下基体梁1-2的材料尺寸完全一致，测试薄膜2的长宽尺寸与上基体梁1-1和下基体梁1-2一致，保证测试薄膜2的中性层与三明治结构的中性层在同一位置，避免因中性层偏置导致的计算误差。
作为本发明优选的实施方式，所述三明治结构和四点1/4弯曲夹具形成的四点1/4弯曲梁测量模型中，通过对四点1/4弯曲夹具施力点即上方两个上压头5的力载荷控制，在1～4Hz、10～50N的简谐形式压力加载下压弯四点1/4弯曲梁测量模型，使测试薄膜2产生应变梯度。
作为本发明优选的实施方式，所述上基体梁1-1和下基体梁1-2的材料为有机玻璃，测试薄膜2的材料为聚偏氟乙烯PVDF，四点1/4弯曲夹具的材料为304不锈钢。
作为本发明优选的实施方式，所述电极3的长度为10～30mm，更优选的，长度为15mm。
本发明可调控应变梯度的薄膜材料挠曲电系数测量装置的测量方法，由控制器7控制小载荷加载仪6加载，在控制器7中输入施加力载荷的值与加载频率的值，确认后启动，实现小载荷加载仪6中装载的四点弯夹具的两个上压头5按输入值施加力加载；测试薄膜2输出的电信号数据，通过电极3输入至电荷放大器8，电荷放大器8中的电荷信号输出到示波器9，由示波器9显示储存；
测量获得对应频率下的电荷信号数据与力载荷数据，通过力载荷数据计算得到对应的应变梯度，将同一频率不同力载荷下电荷与应变梯度的关系线性拟合，所得到的直线的斜率再除以电极面积，则计算得到挠曲电系数；计算公式如下：
式中，Q为示波器9读取电荷放大器8采集得到的电荷量，F为控制器7控制施加给每个上压头5的压力，κ表示应变梯度，l为四点1/4弯曲梁测量模型的跨距即两个受力支撑件4之间的距离，b为上基体梁1-1、下基体梁1-2以及测试薄膜2的宽度，hs为上基体梁1-1和下基体梁1-2的厚度，hf为测试薄膜2的厚度，Ae为电极3的面积，c11 s为上基体梁1-1和下基体梁1-2的杨氏模量，c11 f为测试薄膜2的杨氏模量。
如图3所示为采集的电荷信号随加载应变梯度的变化，应变梯度由控制器7控制施加给每个上压头5的压力和选取的材料参数根据计算公式计算得到，电荷信号由电荷放大器采集、示波器显示记录。对实验数据线性拟合，所得到的直线的斜率再除以电极面积，则计算得到挠曲电系数。
Claims (6)
1.一种可调控应变梯度的薄膜材料挠曲电系数测量装置，其特征在于：包括由长度、宽度和厚度相同的上基体梁(1-1)和下基体梁(1-2)以及设置在上基体梁(1-1)和下基体梁(1-2)之间的与上基体梁(1-1)和下基体梁(1-2)长度和宽度相同的测试薄膜(2)形成的三明治结构，由两个上压头(5)和两个受力支撑件(4)组成的四点1/4弯曲夹具，装载四点1/4弯曲夹具的小载荷加载仪(6)，与小载荷加载仪(6)连接的控制加载力及加载频率的控制器(7)，与小载荷加载仪(6)连接的电荷放大器(8)以及与电荷放大器(8)连接的示波器(9)；所述四点1/4弯曲夹具的两个上压头(5)压合在上基体梁(1-1)的上表面上，两个受力支撑件(4)支撑在下基体梁(1-2)的下表面上，将三明治结构夹紧，保证测试薄膜(2)与上基体梁(1-1)和下基体梁(1-2)同步变形；所述测试薄膜(2)的上下表面涂有电极(3)，电极(3)的长度小于等于两个上压头(5)间的距离且电极(3)设置在两个上压头(5)之间，电极(3)通过导线连接电荷放大器(8)；通过对四点1/4弯曲夹具施力点即两个上压头(5)的力载荷的控制，实现挠曲电系数测量中对测试薄膜应变梯度的调控。
2.根据权利要求1中所述的一种可调控应变梯度的薄膜材料挠曲电系数测量装置，其特征在于，所述上基体梁(1-1)和下基体梁(1-2)的尺寸相同，保证测试薄膜(2)的中性层与三明治结构层合梁的中性层在相同位置，上基体梁(1-1)和下基体梁(1-2)的长度为60～100mm，宽度为8～15mm，厚度为0.8～1.2mm；测试薄膜(2)的长度和宽度与上基体梁(1-1)和下基体梁(1-2)的长度和宽度相同，厚度为500nm～50μm。
3.根据权利要求1中所述的一种可调控应变梯度的薄膜材料挠曲电系数测量装置，其特征在于，所述三明治结构和四点1/4弯曲夹具形成的四点1/4弯曲梁测量模型中，通过对四点1/4弯曲夹具施力点即上方两个上压头(5)的力载荷控制，在给定频率的简谐形式的压力加载下压弯四点1/4弯曲梁测量模型，使测试薄膜(2)产生应变梯度。
4.根据权利要求1中所述的一种可调控应变梯度的薄膜材料挠曲电系数测量装置，其特征在于，所述上基体梁(1-1)和下基体梁(1-2)的材料为有机玻璃，测试薄膜(2)的材料为聚偏氟乙烯PVDF，四点弯曲夹具的材料为304不锈钢。
5.根据权利要求1中所述的一种可调控应变梯度的薄膜材料挠曲电系数测量装置，其特征在于，所述电极(3)的长度为10～30mm。
6.权利要求1至5任一项所述的可调控应变梯度的薄膜材料挠曲电系数测量装置的测量方法，其特征在于，由控制器(7)控制小载荷加载仪(6)加载，在控制器(7)中输入施加力载荷的值与加载频率的值，确认后启动，实现小载荷加载仪(6)中装载的四点弯夹具的两个上压头(5)按输入值施加力加载；测试薄膜(2)输出的电信号数据，通过电极(3)输入至电荷放大器(8)，电荷放大器(8)中的电荷信号输出到示波器(9)，由示波器(9)显示储存；
测量获得对应频率下的电荷信号数据与力载荷数据，通过力载荷数据计算得到对应的应变梯度，将同一频率不同力载荷下电荷与应变梯度的关系线性拟合，所得到的直线的斜率再除以电极面积，则计算得到挠曲电系数；计算公式如下：
式中，Q为示波器(9)读取电荷放大器(8)采集得到的电荷量，F为控制器(7)控制施加给每个上压头(5)的压力，κ表示应变梯度，l为四点1/4弯曲梁测量模型的跨距即两个受力支撑件(4)之间的距离，b为上基体梁(1-1)、下基体梁(1-2)以及测试薄膜(2)的宽度，hs为上基体梁(1-1)和下基体梁(1-2)的厚度，hf为测试薄膜(2)的厚度，Ae为电极(3)的面积，c11 s为上基体梁(1-1)和下基体梁(1-2)的杨氏模量，c11 f为测试薄膜(2)的杨氏模量。
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