具有挠曲电效应的纳米电介质变分原理及控制方程.PDF

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具有挠曲电效应的纳米电介质变分原理及控制方程

中国科学 G 辑:物理学 力学 天文学 2009 年 第 39 卷 第 12 期 : 1762 ~ 1769 SCIENCE IN CHINA PRESS 具有挠曲电效应的纳米电介质变分原理及控制 方程 胡淑玲, 申胜平* 西安交通大学航天航空学院强度与振动教育部重点实验室, 西安 710049 * E-mail: sshen@ 收稿日期: 2009-06-08; 接受日期: 2009-10-12 国家重点基础研究发展计划(编号: 2007CB707702)和国家自然科学基金(批准号:资助项目 摘要 纳米电介质具有较强的挠曲电效应, 并且该效应与大的应变梯度相耦合. 在纳 关键词 米尺度, 静电力不能被忽略. 我们基于电学焓, 建立了可考虑应变及极化梯度效应以及静 挠曲电效应 电力影响的纳米电介质变分原理. 由此变分原理, 导出了其控制方程, 给出了广义静电应 变分原理 力的表达式. 广义静电应力由两部分组成, 一部分为与极化及应变有关的 Maxwell 应力, 控制方程 电介质 另一部分为与极化梯度及应变梯度有关的应力. 我们的工作为研究纳米电介质中的力电 静电应力 耦合问题提供了基础. 纳米尺度 作为电介质材料力电耦合问题分析和计算的基 动力学所证实[10,11] . 挠曲电理论与晶格动力学都预 础, 变分原理长期以来都得到很多研究者的重视. 对 测出薄膜电容小于经典理论的结果[11,12]. 理论上, 挠 于线弹性电介质, Toupin[1]建立了线性压电材料变分 曲电效应存在于所有的电介质中, 但是对于许多材 原理, Eringen[2] 推导了线性微型态材料变分原理, 料, 挠曲电效应微不足道, 可以忽略. 对于一些电介 Shen和Kuang[3]推导了热释电材料动态变分原理, 等 质, 在纳米尺度, 挠曲电效应非常强, 与大应变梯度 等. 对于非线性问题, Kuang[4~7]系统地建立了基于吉 耦合, 此时不能忽略挠曲电效应. Mindlin[13]给出了一 布斯自由能和内能的电介质热力学普适变分原理, 个考虑极化梯度效应的电介质变分原理, 但没有考 基于这些变分原理, 可以得到相应的完整的控制方 虑挠曲电效应. Sahin与Dost[14]给出了一个同时考虑 程组, 并且可以得到麦克斯韦尔应力(静电力) 的表达 应变梯度与极化梯度效应的电介质变分原理, 并由 式. 但是, 这些工作, 不管是线性还是非线性问题, 此得到控制方程. 挠曲电理论与经典的压电理论不 都没有考虑应变梯度和极化梯度效应. 同之处在于, 它含有特征长度, 是尺寸相关的. 最近, [15] 应变梯度或非均匀应变场能够局部地破坏反演 人们发现挠曲电理论在纳米科技扮演着重要角色 . 对称, 从

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