《基於PMN-PT單晶的層狀結構中彈性波傳播特性研究》是依託石家莊鐵道大學，由聶國權擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：基於PMN-PT單晶的層狀結構中彈性波傳播特性研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：聶國權
- 依託單位：石家莊鐵道大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
弛豫鐵電單晶PMN-PT的壓電常數、機電耦合係數和應變數均遠遠超過目前廣泛套用的壓電陶瓷，是製作新一代壓電超聲換能器、感測器、驅動器和致動器的理想材料。與壓電陶瓷不同，PMN-PT單晶的巨觀對稱性與其極化方向有關，而且具有較強的各向異性，彈性波在其中的傳播呈現出許多特殊的現象，各種波型強烈耦合，頻散曲線非常複雜。鑒於此，本項目將對壓電聲波器件的幾種典型構型（層狀結構和周期複合結構）中的表面波、界面波和導波開展較為系統的研究，揭示彈性波在材料或結構表面或界面傳播、反射和折射的基本規律，分析各種因素對彈性波傳播特性的影響。在此基礎上，進一步考慮外部場和環境因素，如任意分布的預應力、電場以及流體載荷作用情況，研究彈性波的傳播性能，並通過實驗驗證層狀結構中導波理論解的正確性。研究成果可為基於PMN-PT單晶的各種聲波和微波器件的最佳化設計和工程套用提供理論基礎。
結題摘要
弛豫鐵電單晶 PMN-PT在準同型相界附近具有異常高的壓電活性，其壓電常數超過普通PZT壓電陶瓷的3-5倍，是製作新一代、高靈敏度超聲換能器、感測器、醫學超聲以及水下聲納設備的理想材料。與壓電陶瓷不同，PMN-PT單晶的巨觀對稱性與極化方向、PT含量有關，且多數情況下具有較低的對稱性，因此，搞清楚彈性波在其中的傳播規律具有重要的學術價值和套用前景。本項目對基於PMN-PT單晶的幾種典型層狀結構中的表面波、界面波和導波進行了深入研究，獲得了各種波動問題的解析解，分析各種模式的耦合和子波波型，釐清了Christoffel聲張量的數學性質和基本波場的組成，同時，討論了單晶的切割角度、極化方向、邊界條件、幾何尺寸等各種參數對彈性波傳播速度、機電耦合係數以及模態的影響規律，結果表明，通過調整單晶的切割角度、改變幾何尺寸和施加不同邊界條件，可實現對彈性波傳播性能的有效調控。在此基礎上，考慮不均勻分布的初應力，研究層狀半空間結構中SH波的傳播特性，利用Frobenius法獲得了問題的半解析解，結果表明，Frobenius法對不均勻外場作用下的波動問題較為有效，可獲得較高精度的解答。考慮粘性流體載荷的作用，研究SH波在PMN-PT層狀結構中的傳播，推導了相速度頻散方程，解決了固液耦合系統中導波和泄漏波數值計算的不穩定性。引入剪下滯後模型描述層狀結構的界面性質，研究不同粘接強度下，層狀結構中SH波和Lamb波的傳播速度和頻散特性，揭示了弱界面對層合結構波動性能的影響規律。利用非局部理論，研究了表面效應對壓電納米板和納米圓柱中平面波和反平面波傳播特性的影響，給出了板邊界處的非典型應力平衡條件，採用勢函式法獲得了問題的解析解，計算了表面效應的臨界尺度，證實了頻散特徵的尺寸依賴性。項目取得的成果，可為PMN-PT單晶類壓電器件的最佳化設計以及提高其環境適應性提供理論基礎，項目採用的研究方法，可為其他單晶類壓電器件的設計研發和性能調控提供借鑑。
