挠曲电效应及其宏观尺度下的实验研究方法

本书系统阐述了挠曲电效应的力电耦合过程、宏观尺度下的实验研究方法以及在各领域中的应用探索。全书共10章，介绍了纵向、横向和剪切向挠曲电效应的概念、实验方法和测量技术、挠曲电系数的解耦设计、均匀应变梯度设计思路，以及逆挠曲电效应，并探讨了挠曲电效应与压电效应之间的内在联系及其在传感、作动、能量采集等实际应用中的探索。本书以严谨的理论分析、实验设计和翔实的数据论证为基础，全面总结了国内外挠曲电效应领域的发展历程与研究现状，针对宏观尺度下的实验研究方法进行了深入探讨，并结合具体案例展示了该效应在传感、作动、俘能等多个方面的应用实践。

第1章 绪论 1
1.1 挠曲电效应简介 2
1.2 国内外研究现状 4
1.2.1 研究脉络和发展情况 4
1.2.2 理论研究和三类挠曲电效应的提出 7
1.2.3 实验研究进展 10
1.2.4 挠曲电效应的尺度相关性 16
1.2.5 挠曲电效应的应用探索 17
1.3 几种宏观尺度挠曲电效应的加载和测量手段 19
1.4 宏观尺度下挠曲电效应实验研究方法的意义及本书内容框架 22
第2章 纵向和横向挠曲电效应及其实验研究方法 25
2.1 纵向挠曲电效应 25
2.1.1 宏观尺度下应变梯度的产生 25
2.1.2 微观尺度力电耦合原理分析 27
2.1.3 实验方法及结果分析 29
2.2 横向挠曲电效应 31
2.2.1 宏观尺度下应变梯度的产生 32
2.2.2 实验方法及结果分析 34
2.2.3 横向挠曲电系数分量μ1122和μ1123 35
2.2.4 横向挠曲电效应的多值性 38
2.2.5 圆形薄膜的横向挠曲电效应 41
第3章 电介质的剪切向挠曲电效应 46
3.1 电介质的剪切应变及其应变梯度 46
3.1.1 电介质的剪切应变梯度及其设计 46
3.1.2 液体电介质的剪切应变梯度 50
3.2 微观尺度下的力电耦合机理 52
3.2.1 固体电介质剪切向挠曲电力电耦合模型 52
3.2.2 液体电介质剪切向挠曲电效应机理和实验研究 53
3.3 实验方法及结果分析 54
3.3.1 固体电介质 54
3.3.2 液体电介质 60
第4章 挠曲电系数分量的解耦 65
4.1 挠曲电系数分量解耦的意义 65
4.2 挠曲电系数分量解耦的力学设计思路 66
4.3 纵向挠曲电系数分量的解耦设计 66
4.3.1 力学设计和理论推导 66
4.3.2 实验设计 69
4.4 剪切向挠曲电系数分量的解耦设计 72
4.4.1 力学设计和理论推导 72
4.4.2 实验设计和结果 80
4.4.3 实验研究方法的普遍适用性讨论 84
第5章 均匀应变梯度的提出和设计 86
5.1 纵向挠曲电效应的等应变梯度结构设计 86
5.2 横向挠曲电效应的等应变梯度结构设计 89
5.3 剪切向挠曲电效应的等应变梯度结构设计 91
第6章 逆挠曲电效应 93
6.1 逆挠曲电效应研究的意义 93
6.2 电场梯度的产生和设计 94
6.2.1 基于结构和尺寸设计的电场梯度 94
6.2.2 基于介电常数设计的电场梯度 102
6.3 逆挠曲电效应的微观机理分析和实验方法分析 107
6.3.1 微观机理分析 107
6.3.2 实验方法分析 108
6.4 逆挠曲电效应与电致伸缩效应 114
第7章 挠曲电效应的调控 116
7.1 挠曲电系数调控的重要性 116
7.2 宏观尺度下的力学调控 117
7.2.1 预设应变梯度 117
7.2.2 介电弹性体交联密度与挠曲电效应间的关系 124
7.2.3 介电弹性体的单轴和双轴预拉伸 131
7.3 微观尺度下的力电耦合调控 138
7.3.1 微观局部应变梯度的设计 138
7.3.2 挠曲电偶极子的等效电荷中心重构 146
7.4 跨尺度的力学和材料融合设计 151
7.5 力电耦合复合手段调控下的巨大类压电效应 157
第8章 挠曲电效应与压电效应 159
8.1 压电效应定义的扩展 159
8.2 挠曲电效应研究中的残余压电效应 160
8.2.1 纵向挠曲电效应研究中的残余压电效应 160
8.2.2 切向挠曲电效应研究中的残余压电效应 162
8.2.3 挠曲耦合系数的提出和意义 164
8.3 基于压电材料的挠曲电效应增强设计 165
第9章 基于挠曲电效应的应用探索 167
9.1 基于挠曲电效应应用的重要意义 167
9.2 力学量传感器 168
9.2.1 无源扭矩传感器 168
9.2.2 高精度载荷传感器 171
9.2.3 准零刚度位移传感器 176
9.3 作动器件 184
9.3.1 共振式弯曲作动器 184
9.3.2 共振式偏摆作动器 187
9.3.3 大摆角线性作动器 192
9.3.4 一体式双轴偏摆结构 200
9.4 俘能研究 205
9.4.1 优势与特点 205
9.4.2 原理和应用性分析 205
9.4.3 设计过程 206
9.4.4 应用效果 209
9.5 基于挠曲电效应的表面粗糙度测量 211
9.5.1 优势与特点 211
9.5.2 原理和应用性分析 212
9.5.3 设计过程 214
9.5.4 应用效果 216
第10章 展望 218
10.1 挠曲电效应理论与实验进一步融合发展 218
10.2 跨尺度下挠曲电效应的实验研究方法探讨 218
10.3 挠曲电效应与驻极体材料的结合 219
10.4 巨大挠曲电效应及其可行性 219
参考文献 221
附录Ⅰ 主要理论推导过程 236
附录Ⅱ 实验相关的数据列表 243
附录Ⅲ 部分有限元分析结果展示 246