铁电薄膜在红外辐射作用下的响应及电极脱层的屈曲问题研究

论文摘要

非制冷红外探测器内的铁电薄膜微桥是多层的结构体系。中间一层为智能材料,上下覆盖着金属电极,还有保护层等。如今的红外探测器内的像元数目越来越多,微桥结构也越来越小,对器件的响应灵敏度要求也越来越高,其中所涉及的热学,电学,力学等等方面的问题值得深入研究。先前的研究者对结构内热传播问题的研究只是单纯研究结构内的瞬态或者是稳态的热扩散问题,所分析的结构体系为层状复合结构或者是梯度的非均匀结构,例如热防护结构内的梯度涂层。而将结构内热的传播与智能器件的信号输出相结合起来进行分析还很少。除一些研究者使用有限元软件对结构进行建模分析,或者在实验中测定实际薄膜器件的信号响应之外,还很少见到用相对简化的、解析的方法去分析薄膜的热传导和微桥器件电信号的输出问题。在结构脱层的屈曲分析方面,文献大多都是集中于层状复合材料界面脱层问题,有一些文献分析了结构材料界面裂纹上脱层的屈曲问题。所使用的方法主要是有限元法和结构力学中的梁理论。而用各向同性弹性体的有限变形理论研究脱层的屈曲问题的就比较少,所看到的文献中主要有Wang Wen-Xue[26,27],Loboda和Mityukova[29],Chiu和Erdogan[32]等。这些问题均属于平面应变问题。Madenci和Westmann[46]分析了存在于有限厚度板中面上的圆形脱层在均匀压缩和非均匀压缩载荷情况下的局部屈曲问题。文中考虑到结构的对称性,使得问题变得简单些。Madenci和Westmann分析了层状体系内局部脱层在压缩载荷作用下扩展问题。Madenci et.al分析了基底表面薄层在双轴压缩作用下的圆形脱层问题。Balkan和Madenci分析了热载荷作用下基底表面薄层的圆形脱层问题。Sburlati,Madenci和Guven分析了有限厚度基底与表层间圆形界面脱层的屈曲问题。上面所分析的均为各向同性材料问题的脱层。而对于智能材料与结构内的脱层屈曲,考虑智能材料的耦合效应对临界载荷的影响等问题还没有看到相关的文献。但是这类问题的分析是很有意义的。对于结构内脱层在弯曲作用下发生屈曲的问题,基本上是用有限元法进行分析。在所看到的文献中只有Kardomateas使用了结构力学梁理论,借助于椭圆积分公式对复合材料脱层在纯弯曲作用时的屈曲行为进行了研究,并且和实验进行了对比。而使用有限变形理论和电弹性体的偏场理论去分析智能结构体系内脱层在弯曲载荷作用下发生的屈曲行为还没有查到相关的文献。因此对这方面进行研究,对于智能器件内出现的结构损伤问题也是有借鉴意义的。基于以上的简单综述,对于智能材料结构内的信号响应,以及相关的脱层问题都很值得研究。本文的主要内容分为以下几部分:在第一章中对相关的文献进行了综述,扼要的介绍了结构内热传播问题,以及结构内脱层的屈曲问题。第二章分析红外探测器内铁电薄膜在红外辐射作用下的响应,用级数形式求解了薄膜内热传播,薄膜在热辐射作用下的电压信号响应输出,并且与有关实验结果进行了对比分析。分析结果与实验吻合很好。第三章中对半无限压电体表面金属电极的穿透性脱层的屈曲问题进行了分析。基于有限变形理论和电弹性体的偏场理论,使用Fourier积分变换和相应的边界条件,将问题归结为一组奇异积分方程,应用Muskhelishvili理论和Gauss-Chebyshev多项式将奇异积分方程组离散为齐次线性代数方程组进行求解。用Mathematica编程进行算例分析,给出了不同电极脱层长厚比的临界应变载荷和脱层的屈曲形状,研究了压电体的机电耦合效应对临界载荷的影响。第四章分析有限厚度压电层及其上下表面金属电极的层状结构在电极发生脱层时的屈曲问题。采用第三章的方法分析了电极脱层的临界载荷和相应的脱层屈曲形状。分析了当上、下电极间存在的强电场对脱层屈曲时临界载荷的影响。为了验证屈曲载荷分析结果的正确性,用Patran和Nastran软件对结构进行有限元建模,分析了脱层的临界载荷。通过对比,解析方法和有限元分析的结果十分相近。说明了解析方法和计算过程是正确的。第五章分析了有限厚度压电层及上下电极的层状结构内电极脱层在弯曲载荷作用下的屈曲问题。采用分层法,分析了在不同脱层长厚比时脱层屈曲的临界弯矩、临界曲率。将所得结果与有限元结果进行了比较。两者吻合得很好。第六章对本文作了总结,并展望了本领域的研究方向。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的来源及研究目的和意义
• 1.2 课题背景和实际应用价值
• 1.3 研究现状
• 1.3.1 铁电薄膜微桥结构层状体系
• 1.3.2 电弹性体的偏场理论
• 1.4 本文研究的主要内容及方法
• 第二章 微桥敏感元红外辐射作用下的热传播及电压信号输出分析
• 2.1 模型和控制方程
• 2.2 热传导的一维分析
• 2.3 电压信号输出分析
• 2.4 变形分析
• 2.5 计算方案及算例
• 2.6 结论
• 第三章 半无限压电体表面的金属电极脱层的屈曲分析
• 3.1 脱层屈曲分析模型
• 3.2 金属电极屈曲的控制方程
• 3.3 半无限压电体的控制方程
• 3.4 奇异积分方程
• 3.5 奇异积分方程的数值求解
• 3.6 算例分析
• 3.7 结论
• 第四章 有限厚度压电层表面金属电极脱层的屈曲及强电场对临界载荷的影响
• 4.1 分析模型
• 4.2 上下金属电极的控制方程
• 4.3 中间压电层的控制方程
• 4.4 奇异积分方程
• 4.5 算例分析
• 4.6 理论结果的有限元验证
• 4.7 结论
• 第五章 有限厚度压电层表面金属电极脱层在弯曲载荷作用下的屈曲
• 5.1 分析模型
• 5.2 金属电极的控制方程
• 5.3 压电层的控制方程
• 5.4 奇异积分方程
• 5.5 算例分析
• 5.6 有限元结果验证
• 5.7 结论
• 第六章 结论及展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 致谢
• 个人简历 在读期间发表的学术论文与研究成果