梯度功能鐵電陶瓷致動器的電致失效力學機理研究

采用半逆解法，系統(tǒng)地研究了密度梯度懸臂梁（致動器）在不同荷載作用下力—電耦合問題的幾個基本解，其中包括：懸壁梁梁端受力偶作用、梁端受軸向集中力作用、梁端受橫向集中力作用以及懸臂梁受外加直流電壓、橫向均布荷載和軸向均布荷載等情況，并考慮了梯度效應對基本解的影響。首先求得了密度梯度懸臂梁在上述不同荷載分別作用下用半逆解法求解時的應力函數(shù)和電位移函數(shù)，進而求得了梁中的應力和電位移、應變和電場強度以及位移和電熱的分析解。作為特例，同時還得到了無體積力懸臂梁和常體積力懸臂梁在上述不同荷載分別作用下的全部解答。為建立致動器的電致失效判據(jù)提供了理論基礎，同時也為研究更復雜的功能材料的電致失效問題提供了參考。

MEMS電磁繼電器是繼電器微型化主流方案、代表了未來繼電器高端產(chǎn)品的發(fā)展趨勢。但觸頭彈跳已成為限制其壽命、制約實用化的瓶頸問題之一，需要針對器件微型化后的結構、尺寸特點，研究有別于傳統(tǒng)宏觀器件的彈跳抑制方法。在前期研究的基礎上，本項目提出分析/利用動致鎖定機理來抑制觸頭彈跳，綜合運用改變器件動力學傳遞函數(shù)和調整外加激勵時/頻特性的方法優(yōu)化器件的動態(tài)響應，探尋從根本上抑制觸頭彈跳的有效途徑。在此基礎上，評估器件尺寸加工偏差及驅動電壓脈沖波形失真對彈跳抑制效果的影響，提出可以在集成制造的批量化器件中實現(xiàn)的彈跳抑制方法，據(jù)此設計、制造器件、測試其性能，驗證該方法的有效性與可行性。本項目是微米尺度上抑制結構沖擊與振動的有益嘗試，將為機械學科的相關研究向微觀領域推進探索可行的分析方法和研究手段。研究成果有望克服限制MEMS電磁繼電器壽命的重要因素，加速其實用化進程，提升國內繼電器產(chǎn)業(yè)技術水平。