专利摘要

一种剪切向挠曲电系数的实验测量装置及解耦方法，该实验测量装置包括由挠曲电材料加工而成的半圆柱形试件或半圆台形试件，固定连接在试件两端的夹持端，位于试件侧面对称分布的电极，与电极相连接的电荷放大器，与电荷放大器连接的信号处理模块，对试件施加扭矩的加载设备；加载设备对试件输出扭矩，试件发生扭转变形；半圆柱沿径向产生剪切应变梯度而产生电极化，半圆台沿径向和轴向分别产生剪切应变梯度而产生电极化；极化电荷通过电极送至电荷放大器并被转换为电压信号并传入信号处理模块，再结合加载设备的载荷参数、挠曲电材料参数和试件结构参数后，联立两种不同形状试件在纯扭转状态下的力电耦合方程，即可分别解耦出径向和轴向挠曲电系数。

权利要求

1.一种剪切向挠曲电系数的实验测量装置进行剪切向挠曲电系数的解耦方法，该实验测量装置包括由挠曲电材料制成的试件(2)，与试件(2)上下端固定连接的夹持端(1)，位于试件(2)侧面沿轴对称分布的电极(3)，与电极(3)连接的电荷放大器(4)，与电荷放大器(4)输出端连接的信号处理模块(5)，输出扭矩的加载设备(6)；所述试件(2)为半圆柱形试件或半圆台形试件；加载设备(6)夹持住试件(2)两端的夹持端(1)施加扭矩,半圆柱试件沿径向产生剪切应变梯度而产生电极化，半圆台试件沿径向和轴向分别产生剪切应变梯度而产生电极化；

其特征在于：所述解耦方法为：将固定在试件(2)上的夹持端(1)与加载设备(6)连接，当加载设备(6)输出扭矩，扭矩通过夹持端(1)传递到试件(2)，由此试件(2)发生扭转变形并产生剪切应变；当试件(2)为半圆柱形试件时，剪切应变仅在径向产生应变梯度并由此产生剪切挠曲电致的电极化；当试件(2)为半圆台形试件时，剪切应变在径向以及轴向均产生应变梯度并由此产生两种剪切挠曲电致的电极化叠加；以上产生的极化电荷通过电极(3)输出至电荷放大器(4)的输入端，并由电荷放大器将电荷信号转化成电压信号并传入信号处理模块(5)，再结合加载设备(6)的载荷参数、挠曲电材料参数和试件(2)结构参数后，联立方程，能够分别解出沿径向和沿轴向的剪切挠曲电系数；

所述的分别解出沿径向和沿轴向的剪切挠曲电系数的方法如下：

试件(2)在扭转变形下产生的电荷与材料的剪切应变梯度存在关系；未极化的挠曲电材料中不存在压电效应，材料的挠曲电效应表示为：

其中Pl、μijkl、εij和xk分别为极化程度、挠曲电系数、应变和梯度方向；而极化程度则描述为电荷与电荷分布面积的比，即

其中：Ql和A分别是电荷量和对应电极面积；

半圆柱形试件在纯扭转下的剪切应变只沿径向发生变化，其应变梯度表示为：

其中：γzρ是扭转状态下产生的剪切应变，M是施加的扭矩，ν和E是材料泊松比和弹性模量，R是半圆柱的半径，z和ρ分别是圆柱坐标系下的轴向和径向方向，n是公式计算中的奇数项；

半圆台形试件在纯扭转下的剪切应变分别沿径向和轴向发生变化，其应变梯度表示为：

其中k是圆台的锥度；

对于半圆柱形试件和半圆台形试件的剪切向挠曲电系数测量实验装置，公式(2)改写成如下方式：

其中Qa和Qb分别是在半圆柱形试件和半圆台形试件上产生的极化电荷，Aa和Ab分别是半圆柱形试件和半圆台形试件相应的电极面积；是圆柱坐标系下的环向方向；和分别是沿径向和轴向的剪切挠曲电系数；

从而，把由信号处理模块(5)的输出信号和由加载设备(6)施加的载荷参数、挠曲电材料参数以及试件(2)结构参数根据公式(3)和公式(4)计算出的相应的应变梯度代入公式(5)，即解耦出沿径向的剪切挠曲电系数和沿轴向的剪切挠曲电系数

2.根据权利要求1所述的一种剪切向挠曲电系数的实验测量装置进行剪切向挠曲电系数的解耦方法，其特征在于：所述试件(2)的几何中心与夹持端(1)保持重合以保证试件(2)受到纯扭转载荷。

3.根据权利要求1所述的一种剪切向挠曲电系数的实验测量装置进行剪切向挠曲电系数的解耦方法，其特征在于：所述电极(3)的刚度比试件(2)低至少2个数量级并具有良好的导电性。

4.根据权利要求1所述的一种剪切向挠曲电系数的实验测量装置进行剪切向挠曲电系数的解耦方法，其特征在于：所述电荷放大器(4)的测量精度能够满足挠度电材料制成的试件(2)的微电荷测量需求。

5.根据权利要求1所述的一种剪切向挠曲电系数的实验测量装置进行剪切向挠曲电系数的解耦方法，其特征在于：所述夹持端(1)为与加载设备(6)的夹头形状相适配的六棱柱形、四棱锥形或圆柱形。

说明书

技术领域

本发明设计材料科学中的力电耦合技术领域，具体涉及一种剪切向挠曲电系数的实验测量装置及解耦方法。

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或者电场梯度使材料发生形变的现象，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，挠曲电效应被视为有望于成为压电效应的替代者。挠曲电效应的研究目前尚处在理论阶段，但是挠曲电系数的探究一直是该领域的研究热点。由于挠曲电系数是一个四阶张量，在低对称性的材料中存在多项挠曲电系数，实验中测量得的电荷往往是多个挠曲电系数共同作用的。因此，如何解耦挠曲电系数是一个研究难点。

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剪切向挠曲电系数的实验测量装置及解耦方法，即设计半圆柱形和半圆台形结构试件，通过扭转变形在试件上构造沿径向和轴向的剪切应变梯度，从而测量剪切应变梯度致的电极化，继而测量并分别解耦出径向和轴向挠曲电系数。

为了达到以上目的，本发明采用如下技术方案。

一种剪切向挠曲电系数的实验测量装置，其特征在于：包括由挠曲电材料制成的试件2，与试件2上下端固定连接的夹持端1，位于试件2侧面沿轴对称分布的电极3，与电极3连接的电荷放大器4，与电荷放大器4输出端连接的信号处理模块5，输出扭矩的加载设备6；所述试件2为半圆柱形试件或半圆台形试件加载设备6夹持住试件2两端的夹持端1施加扭矩,半圆柱试件沿径向产生剪切应变梯度而产生电极化，半圆台试件沿径向和轴向分别产生剪切应变梯度而产生电极化。

所述试件2的几何中心与夹持端1保持重合以保证试件2受到纯扭转载荷。

所述电极3的刚度比挠曲电材料2低至少2个数量级并具有良好的导电性。

所述电荷放大器4的测量精度能够满足挠曲电材料2微电荷测量的需求。

所述夹持端1为与加载设备6的夹头形状相适配的六棱柱形、四棱锥形或圆柱形。

所述的一种剪切向挠曲电系数的实验测量装置进行剪切向挠曲电系数的解耦方法，将固定在试件2上的夹持端1与加载设备6连接，当加载设备6输出扭矩，扭矩通过夹持端1传递到试件2，由此试件2发生扭转变形并产生剪切应变；当试件(2)为半圆柱形时，剪切应变仅在径向产生应变梯度并由此产生剪切挠曲电致的电极化；当试件(2)为半圆台形时，剪切应变在径向以及轴向均产生应变梯度并由此产生两种剪切挠曲电致的电极化叠加；以上产生的极化电荷通过电极3输出至电荷放大器4的输入端，并由电荷放大器将电荷信号转化成电压信号并传入信号处理模块5，再结合加载设备6的载荷参数、挠曲电材料参数和试件2结构参数后，联立方程，能够分别解出沿径向和沿轴向的剪切挠曲电系数。

所述的分别解出沿径向和沿轴向的剪切挠曲电系数的方法如下：

试件2在扭转变形下产生的电荷与材料的剪切应变梯度存在关系；未极化的挠曲电材料中不存在压电效应，材料的挠曲电效应可简单表示为：

其中Pl、μijkl、εij和xk分别为极化程度、挠曲电系数、应变和梯度方向；而极化程度则描述为电荷与电荷分布面积的比，即

其中Ql和A分别是电荷量和对应电极面积；

半圆柱形试件在纯扭转下的剪切应变只沿径向发生变化，其应变梯度表示为：

其中γzρ是扭转状态下产生的剪切应变，M是施加的扭矩，ν和E是材料泊松比和弹性模量，R是半圆柱的半径，z和ρ分别是圆柱坐标系下的轴向和径向方向，n是计算公式中的奇数项；

半圆台形试件在纯扭转下的剪切应变分别沿径向和轴向发生变化，其应变梯度表示为：

其中k是圆台的锥度；

对于半圆柱形试件和半圆台形试件的剪切向挠曲电系数测量实验装置，公式(2)改写成如下方式：

其中Qa和Qb分别是在半圆柱形试件和半圆台形试件上产生的极化电荷，Aa和Ab分别是相应的电极面积； 是圆柱坐标系下的环向方向； 和 分别是沿径向和轴向的剪切挠曲电系数；

从而，把由信号处理模块(5)的输出信号和由加载设备(6)施加的载荷参数、挠曲电材料参数以及试件(2)结构参数根据公式(3)和公式(4)计算出的相应的应变梯度代入公式(5)，即解耦出沿径向的剪切挠曲电系数 和沿轴向的剪切挠曲电系数

本发明和现有技术相比，具有如下优点：

1)本发明丰富了挠曲电系数测量手段，通过解耦的方法得到了未知的挠曲电系数。

2)相比于其他系数测量模式，本发明通过设计不同实验联立方程在一个实验中解耦出了多个剪切挠曲电系数，具有结构简单，过程高效的优点。

总之，本发明能够实现一种剪切向挠曲电系数的实验测量装置及解耦方法获得多个剪切挠曲电系数，弥补了现有技术的空白与不足。

附图说明

图1为半圆柱形试件的实验测量装置结构示意图。

图2为半圆台形试件的实验测量装置结构示意图。

具体实施方式

下面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和图2所示，将固定在试件2上的夹持端1与加载设备6连接，当加载设备6输出扭矩，扭矩通过夹持端1传递到试件2，由此试件2发生扭转变形并产生剪切应变；当试件为半圆柱形时，剪切应变仅在径向产生应变梯度并由此产生剪切挠曲电致的电极化；当试件为半圆台形时，剪切应变在径向以及轴向均产生应变梯度并由此产生两种剪切挠曲电致的电极化叠加；以上产生的极化电荷通过电极3输出至电荷放大器4的输入端，并由电荷放大器将电荷信号转化成电压信号并传入信号处理模块5，再结合加载设备6的载荷参数、挠曲电材料参数和试件2结构参数后，联立方程，能够分别解出沿径向和沿轴向的剪切挠曲电系数。

所述的分别解出沿径向和沿轴向的剪切挠曲电系数的方法如下：

试件2在扭转变形下产生的电荷与材料的剪切应变梯度存在关系；未极化的挠曲电材料中不存在压电效应，材料的挠曲电效应简单表示为：

其中Pl,μijkl,εij和xk分别为极化程度、挠曲电系数、应变和梯度方向；而极化程度则描述为电荷与电荷分布面积的比，即

其中Ql和A分别是电荷量和对应电极面积；

半圆柱(2-1)在纯扭转下的剪切应变只沿径向发生变化，其应变梯度表示为：

其中γzρ是扭转状态下产生的剪切应变，M是施加的扭矩，ν和E是材料泊松比和弹性模量，R是半圆柱的半径，z和ρ分别是圆柱坐标系下的轴向和径向方向，n是计算公式中的奇数项；

半圆台形试件在纯扭转下的剪切应变分别沿径向和轴向发生变化，其应变梯度表示为：

其中k是圆台的锥度；

对于半圆柱形试件和半圆台形试件的剪切向挠曲电系数测量实验装置，公式(2)改写成如下方式：

其中Qa和Qb分别是在半圆柱形试件和半圆台形试件上产生的极化电荷，Aa和Ab分别是相应的电极面积； 是圆柱坐标系下的环向方向； 和 分别是沿径向和轴向的剪切挠曲电系数；

从而，把由信号处理模块(5)的输出信号和由加载设备(6)施加的载荷参数、挠曲电材料参数以及试件(2)结构参数根据公式(3)和公式(4)计算出的相应的应变梯度代入公式(5)，即解耦出沿径向的剪切挠曲电系数 和沿轴向的剪切挠曲电系数

作为本发明的优选实施方式，所示挠曲电材料2具有高介电常数和较大的弹性变形范围。

作为本发明的优选实施方式，所述电极3具有良好的导电性能和较低的附着刚度。

一种剪切向挠曲电系数的实验测量装置及解耦方法专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。