CN113432524A - 一种通过力学手段调控挠曲电效应的装置及方法 - Google Patents

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    • G01B7/16—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. by resistance strain gauge

Abstract

一种通过力学手段调控挠曲电效应的装置及方法，该装置包括挠曲电材料制成的薄膜固定在底座的的固定端和移动端，移动端和底座之间调控薄膜长度的长螺杆，底座上约束移动端滑动的导轨，位于薄膜上表面的加载点和下表面的支撑点，位于薄膜上下表面的电极，与电极相连接的信号采集器，对薄膜施加载荷的加载机；薄膜在载荷作用下产生弯曲变形，沿厚度方向产生应变梯度而诱导产生挠曲电效应；通过长螺杆调整移动端在底座导轨上滑动的距离调控挠曲电薄膜的拉伸率，并通过实验得到不同拉伸率下材料的挠曲电系数，可知拉伸率和挠曲电系数呈正相关关系，证明预拉伸可有效提升材料的挠曲电效应，从而具备对挠曲电效应的调控性。

Description

一种通过力学手段调控挠曲电效应的装置及方法
技术领域
本发明涉及材料科学中的力电耦合技术领域，具体涉及一种通过力学手段调控挠曲电效应的装置及方法。
背景技术
挠曲电效应是由非均匀形变在材料内部产生应变梯度致电极化的现象，是一种广泛存在于介电材料中的力电耦合特性。由于其存在于所有介电材料中且涉及到应变梯度的全新耦合，挠曲电效应已经在智能材料力学量传感、作动、俘能、光电转化等领域开辟一片新的天地。柔性材料如介电弹性体，聚合物等因具有柔软、低模量、易变形等属性而被广泛应用于生物医疗、健康监测、电子器件等领域。柔性材料也因其大变形能力往往能形成大应变梯度而成为了研发挠曲电器件的潜在选择。研究表明，柔性材料的挠曲电系数要比常规的陶瓷材料低4-6个数量级，因此，增强柔性材料的挠曲电系数可以大大增强柔性挠曲电器件的竞争力。无论是通过化学改性、应变梯度预设计、还是力学量调控等手段，都能有效地提高材料的挠曲电系数，继而提升力-电耦合效率。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种通过力学手段调控挠曲电效应的装置及方法，用该方法可以通过力学预加载的手段调控介电弹性体材料的挠曲电效应，且拉伸率和挠曲电系数呈正相关关系。
为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：
一种通过力学手段调控挠曲电效应的装置，包括挠曲电材料制成的薄膜7通过螺钉3固定在底座1的两边的固定端2和移动端4，设置在移动端4和底座1外端之间调控薄膜7长度的长螺杆6，底座1上约束移动端滑动的导轨5，涂在薄膜7上下表面的电极10，分别分布在薄膜7上表面和下表面的加载点8和支撑点9，还包括加载机11和信号采集器12，所述加载机11通过加载点8输出载荷，信号采集器12输入端与电极10连接。
所述力学调控手段指的是对材料进行预加载，预加载的方式包括预拉伸、预压缩、预扭转或预弯曲。
若预加载的方式为预拉伸，所述预拉伸的材料即薄膜7为具有大变形能力的介电弹性体薄膜，如聚二甲基硅氧烷PDMS。
所述长螺杆6可调控薄膜7长度方向的拉伸倍数为1到2倍。
所述电极10为导电性强，不凝固，可跟随材料大变形并不影响材料刚度的液态金属电极。
所述的一种通过力学手段调控挠曲电效应的装置对挠曲电效应的调控方法，其特征在于：加载机11对加载点8输出单轴压载，薄膜7在加载点8和支撑点9的作用下产生弯曲载荷，薄膜7沿厚度方向产生应变梯度而诱导挠曲电电极化现象；极化电荷通过电极10由信号采集器12测量，结合结合加载机11的位移参数、加载点8间距、支撑点9间距和电极10的面积即可求得相应的挠曲电系数；通过长螺杆6调整移动端4在底座1的导轨5上滑动的距离即可调控挠曲电薄膜7的拉伸率，并通过实验得到不同拉伸率下薄膜7材料的挠曲电系数，可知拉伸率和挠曲电系数呈正相关关系，证明预拉伸可有效提升材料的挠曲电效应，从而具备对挠曲电效应的可调控性。
本发明和现有技术相比，具有如下优点：
1)本发明通过对材料施加拉伸预加载，首次通过纯力学的方式对介电弹性体材料的挠曲电效应进行调控，并得到拉伸率和挠曲电系数的正相关关系。
2)力学调控挠曲电效应的优点在于实施方式简单，及其调控具有可逆性。
3)本发明中的力学调控挠曲电效应可以应用于柔性传感器领域，可以实时调节传感器分辨率。
总之，本发明首次提出了力学调控挠曲电效应的方法，为挠曲电效应的增强研究提供了极其重要的新思路。
附图说明
图1为本发明装置结构示意图。
图2四点弯原理图。
图3拉伸率和PDMS材料挠曲电系数的关系曲线图。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例，对本发明作进一步的详细描述。
如图1所示，本发明一种通过力学手段调控挠曲电效应的装置，包括挠曲电材料制成的薄膜7通过螺钉3固定在底座1的两边的固定端2和移动端4，设置在移动端4和底座1外端之间调控薄膜7长度的长螺杆6，底座1上约束移动端滑动的导轨5，涂在薄膜7上下表面的电极10，分别分布在薄膜7上下表面的加载点8和支撑点9，还包括加载机11和信号采集器12，所述加载机11通过加载点8输出载荷，信号采集器12输入端与电极10连接。
作为本发明的优选实施方式，力学调控手段指的是对材料进行预加载，预加载的方式包括但不限于预拉伸，还包括预压缩、预扭转和预弯曲等其他方式。
作为本发明的优选实施方式，预加载方式为预拉伸。
作为本发明的优选实施方式，预拉伸的材料即薄膜7为具有大变形能力的介电弹性体薄膜，如聚二甲基硅氧烷PDMS。
作为本发明的优选实施方式，长螺杆6可调控薄膜7长度方向的拉伸倍数为1到2倍。
作为本发明的优选实施方式，电极10为导电性强，不凝固，可跟随材料大变形并不影响材料刚度的液态金属电极。
如图1所示，本发明的工作原理为：加载机11对加载点8输出单轴压载，薄膜7在加载点8和支撑点9的作用下产生弯曲载荷，薄膜7沿厚度方向产生应变梯度而诱导挠曲电电极化现象；极化电荷通过电极10由信号采集器12测量。由于薄膜处于四点弯弯曲状态，如图2所示，加载机11的载荷通过加载点8的位移h表征，两个加载点之间的距离为l,两个支撑点9之间的距离为L,因此，薄膜内产生的应变梯度可以表示为：
Figure BDA0003101626680000041
因此，根据挠曲电效应的定义：
Figure BDA0003101626680000042
其中Q是信号采集器12测得的电荷信号，A是电极面积，μ13是横向挠曲电系数。由公式(2)即可求得相应的挠曲电系数；通过长螺杆6调整移动端4在底座1的导轨5上滑动的距离即可调控挠曲电薄膜7的拉伸率，并通过实验得到不同拉伸率下薄膜7材料的挠曲电系数。由图3可以看出拉伸率和归一化的挠曲电系数呈正相关关系，从而得知预拉伸具备对挠曲电效应的调控性。

Claims (7)

1.一种通过力学手段调控挠曲电效应的装置，包括挠曲电材料制成的薄膜(7)通过螺钉(3)固定在底座(1)的两边的固定端(2)和移动端(4)，设置在移动端(4)和底座(1)外端之间调控薄膜(7)长度的长螺杆(6)，底座(1)上约束移动端滑动的导轨(5)，涂在薄膜(7)上下表面的电极(10)，分别分布在薄膜(7)上表面和下表面的加载点(8)和支撑点(9)，还包括加载机(11)和信号采集器(12)，所述加载机(11)通过加载点(8)输出载荷，信号采集器(12)输入端与电极(10)连接。
2.根据权利要求1所述的一种通过力学手段调控挠曲电效应的装置，其特征在于：所述力学手段调控指的是对材料进行预加载，预加载的方式为预拉伸、预压缩、预扭转或预弯曲。
3.根据权利要求2所述的一种通过力学手段调控挠曲电效应的装置，其特征在于：若预加载的方式为预拉伸，所述预拉伸的材料即薄膜(7)为具有大变形能力的介电弹性体薄膜。
4.根据权利要求2所述的一种通过力学手段调控挠曲电效应的装置，其特征在于：所述大变形能力的介电弹性体薄膜为聚二甲基硅氧烷PDMS。
5.根据权利要求1所述的一种通过力学手段调控挠曲电效应的装置，其特征在于：所述长螺杆(6)能够调控薄膜(7)长度方向的拉伸倍数为1到2倍。
6.根据权利要求1所述的一种通过力学手段调控挠曲电效应的装置，其特征在于：所述电极(10)为导电性强，不凝固，能够跟随材料大变形并不影响材料刚度的液态金属电极。
7.权利要求1至6任一项所述的一种通过力学手段调控挠曲电效应的装置对挠曲电效应的调控方法，其特征在于：加载机(11)对加载点(8)输出单轴压载，薄膜(7)在加载点(8)和支撑点(9)的作用下产生弯曲载荷，薄膜(7)沿厚度方向产生应变梯度而诱导挠曲电电极化现象；极化电荷通过电极(10)由信号采集器(12)测量，结合加载机(11)的位移参数、加载点(8)间距、支撑点(9)间距和电极(10)的面积即求得相应的挠曲电系数；通过长螺杆(6)调整移动端(4)在底座(1)的导轨(5)上滑动的距离即能够调控挠曲电薄膜(7)的拉伸率，并通过实验得到不同拉伸率下薄膜(7)材料的挠曲电系数，可知拉伸率和挠曲电系数呈正相关关系，证明预拉伸可有效提升材料的挠曲电效应，从而具备对挠曲电效应的调控性。
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