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王炳雷副教授在固体力学顶级期刊发表挠曲电理论最新进展
发布时间:2019年08月04日 11:23    作者:    点击:[]

        近日,兴发国际娱乐工程力学系王炳雷副教授在固体力学顶级期刊Physical Review B (PRB 100, 035438, 2019)发表题为《Flexoelectricity as a universal mechanism for energy harvesting from crumpling of thin sheets》的关于挠曲电理论的研究工作。王炳雷副教授为该成果的第一作者,通讯作者是国际挠曲电理论著名学者休斯顿大学机械工程系Pradeep Sharma教授,山东大学为该成果第一完成单位。

挠曲电效应是不均匀变形(应变梯度)和电极化之间的双向耦合,它存在于几乎所有的介电材料中。随着结构尺寸的降低,该效应将逐渐增大,呈现出尺寸依赖性。在微纳米尺度,基于该效应可以设计俘能器、传感器、驱动器等微纳机电系统。近年来,挠曲电效应及其理论一直是固体力学领域的研究热点之一。

受生活中常见揉皱(crumpling)结构(如纸团、衣服褶皱等)的启发,该研究针对揉皱介电薄膜结构,研究其力电耦合问题。由于挠曲电效应,揉皱介电薄膜中不均匀应变(应变梯度)会产生极化电荷。如果将介电薄膜黏贴在衣服上的某些区域,根据挠曲电效应及其尺寸依赖性,可产生可观的电能。这将是一种新颖的能量俘获方式。王炳雷副教授针对揉皱介电薄膜结构,提出了一种新的力学理论方法,计算结果与实验数据高度吻合。研究指出,随着薄膜厚度的减小,挠曲电效应将会逐渐增大。这为微纳米尺度下非压电类材料的能量俘获提供了力电转换的新途径。该研究成果对揉皱结构的力电转换问题提供了理论基础,将为智能衣服、微机电器件等智能设备的能量俘获研究提供重要的理论支撑,具有广泛的潜在应用价值。

论文链接:https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.100.035438

 

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1 揉皱介电薄膜力电转换示意图。       2 理论结果与实验结果对比图。

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