[发明专利]一种剪切向挠曲电系数的实验测量装置及解耦方法

说明书

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。

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：