西安交通大学考研，西安交通大学考研分数线2023
自 1880 年居里兄弟首次发现压电效应，对能够实现机械能和电能相互转换的功能材料的研究和应用已经过去一百多年了。基于压电材料的各类振荡器、滤波器、延迟线、传感器和作动器件极大改变了信息通信、工业自动化、医疗诊断、交通控制和国防等各个领域的工作模式。随着科学技术的快速发展，将压电材料与微加工技术相结合，已经逐渐实现了人机交互、传感和驱动等新的思路和途径，不断改变着人类的生活方式。
▲压电微机电系统的应用
(www.tyndall.ie/piezo-mems)
▲压电效应的微观机理示意图
国际压电器件市场已经从 2015 年的 203.5 亿美元持续增长到2020 年的272.4亿美元，年复合增长率达到6.01％，巨大的市场需求和广泛的应用前景将继续推动压电器件的快速发展。各种新材料和新结构不断涌现，为传统压电器件的性能突破铺平了道路，同时也提出了许多新的挑战。受材料对称性限制，压电效应仅存在于微结构具有非中心对称的材料中，且无法与微加工工艺兼容。最近二十年，固体电介质的挠曲电效应备受关注，挠曲电材料和器件的开发取得了长足发展，器件性能达到甚至超过已有的压电器件，这使得挠曲电效应的研究已经不再局限于科学研究领域，逐渐成为一种有希望实际应用的力电转换技术。
▲压电半导体纳米线横截面上电势的分布
挠曲电器件与压电器件相比结构简单，不易受温度影响，极大拓宽了力电耦合材料的选择范围。与传统压电器件相比，挠曲电器件具有独特的优势：挠曲电器件提供了更多的力学设计途径，在微纳米尺度具有显著的力电耦合响应，同时可以避免使用对环境和人类健康产生危害的材料等。
▲ZnO纳米俘能器的最大输出电压
作者从事固体中挠曲电效应的研究工作已有十余年，围绕挠曲电效应相关的力电耦合理论，挠曲电梁、板、膜理论，挠曲电介质中的弹性波理论和挠曲电效应的有限元方法等方面开展研究工作，就是对多年研究工作的成果总结。
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全书共 6 章。
第 1 章叙述压电效应和挠曲电效应的发展历程，重点综述超越压电效应的材料和器件设计，并展望挠曲电理论和器件的发展方向。
第 2 章提出挠曲电理论的基本框架，阐述应变梯度和表面效应，并建立挠曲电梁、板和膜的力电耦合理论，最后基于诺特定理提出具有挠曲电效应的纳米电介质的守恒定律，并计算 III 型裂纹的 J 积分。
第 3 章建立挠曲电介质中弹性波传播的力电耦合理论，讨论关键参数对声波器件性能的影响。
第 4 章介绍材料挠曲电效应的实验表征手段，提出基于圆台压缩和冲击压缩测量材料挠曲电系数的实验方法，通过轻气炮和分离式霍普金森压杆实验增强材料中的应变梯度，避免了宏观块体材料中挠曲电效应微弱难以准确测量的困难，并分析挠曲电效应表征中的关键影响因素。
第5 章介绍挠曲电效应的扩展有限元方法，构造二维和三维混合单元用于讨论挠曲电效应对力电耦合响应的影响。
第 6 章对挠曲电器件进行总结和展望，讨论挠曲电效应在传感、俘能和声波器件方面的潜在应用，并基于理论分析器件性能。
郭万林院士为本书作序。
序 言
固体的变形是由微观尺度组成固体的原子之间的相互位置和构型偏离能量最小的平衡状态的变化所产生的。在介电材料 (或电介质材料，是一种能被外加电场极化的电绝缘体) 中，这种微观变化可以引起原子间局部电子的重新分布，产生极性，也称极化，应变作用下称为压电效应，而非均匀应变场中应变梯度引起的极化称为挠曲电效应。极化也可以通过外加电场作用下电荷偏离其平均平衡位置而产生。在一些介电材料中，电场引起的极化会使原子偏离其平均平衡位置而产生宏观变形，称为逆压电效应。
应变是固体微元本身的伸长率，属于局部变量；应变梯度则是相邻固体微元应变的变化量，属于非局部变量。随着器件尺寸的缩小和柔性器件的兴起，应变梯度效应具有日益重要的实际意义。从微丝的扭转、弯曲塑性和微梁的变形，到碳纳米管的波动，从广泛使用的液晶触摸屏到新兴的柔性纳米器件，应变梯度都有显著的作用。
相比压电效应，挠曲电效应不受居里温度的限制，具有更好的温度稳定性。但在宏观尺度，应变梯度往往很小，固体材料中挠曲电效应十分微弱。挠曲电效应20世纪 60 年代首次被发现，在此后较长的一段时间内并没有受到重视。在更小的空间产生同样的应变变化会导致更大的应变梯度，因此挠曲电效应随材料尺寸减小而增大。随着微纳米技术的发展，压电和半导体器件呈现微型化和超精密化趋势，宏观尺度中可被忽略的挠曲电效应在此时起到非常重要的作用，甚至处于主导地位，有望突破压电和半导体器件力电耦合性能与温度稳定性难以兼顾的瓶颈，变革其设计方式。
可喜的是，申胜平带领团队在国际上较早地开展了挠曲电效应的研究，从本构关系、变分原理和基本方程出发，发展完善了挠曲电力电耦合理论，深入研究了挠曲电介质中的波、各种介电固体挠曲电效应的测试、表征方法和有限元分析方法，开展了挠曲电器件设计和研制。尤其可贵的是，他们提出了一种可大幅度提升聚合物材料挠曲电效应的方法，通过微结构设计将聚二甲基硅氧烷的挠曲电效应提高了 100 倍，为在宏观尺度上应用挠曲电效应提供了可能性。
我认识申胜平已逾 30 年。1989 年，在西北工业大学飞机系，他是大三学生，我攻读博士，是他“弹性力学”课程的辅导老师。1990 年，我指导他本科毕业论文工作，从此他选择了科研之路。1992 年，我到西安交通大学做博士后，我们仍经常见面，我也在科研上给他建议和指导。1993 年，我推荐他到西安交通大学攻读博士学位，帮助他走上了智能材料研究之路。我很高兴地看到他一路走来，对科研始终如一的坚持及不畏艰难的探索。
因此，我很高兴为申胜平、梁旭和邓谦所著的《挠曲电理论及应用》一书作序。该书系统地总结了固体电介质材料中挠曲电效应的发展历程、基础理论和基本方法，阐述了挠曲电效应测试原理和应用价值，介绍了挠曲电器件的设计思路和方法，重点论述了挠曲电理论、挠曲电介质中的弹性波、挠曲电效应的实验表征、挠曲电有限元方法以及挠曲电器件设计等方面的内容。全书内容系统而精炼，结构严谨，理论体系清晰，语言简明，颇具可读性。
该书是我国第一本关于挠曲电效应的专著，丰富和发展了智能材料和结构力学的基本理论，为挠曲电材料与结构的性能表征，新器件设计以及可靠性分析提供了理论基础和新思路。
最后我想指出，应变梯度引起的挠曲效应不仅存在于极化介电固体，而且对半导体的能带调控和激子动力学行为有显著作用。应变调控半导体能带和应变工程已经广泛应用于半导体工业技术多年。随着集成电路特征尺寸的减小以及柔性电子技术的发展，不同掺杂区域的不同应变和微纳米尺度的柔性变形引起的应变梯度变得显著，实验和理论已揭示出的光电半导体能带随应变梯度增加线性红移的柔性电子效应将会是力电耦合研究，尤其是挠曲效应研究的新领域。
中国科学院院士 郭万林
2022 年 3 月于南京
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《挠曲电理论及应用》
申胜平，梁旭，邓谦 著
北京：科学出版社, 2022.10
ISBN 978-7-03-070175-6
责任编辑: 祝 洁
内容简介
本书从力电耦合类功能材料的发展历程、物理基础、器件设计和应用等方面对固体电介质的挠曲电效应进行了较全面地总结和讨论；重点梳理了作者团队在挠曲电理论、挠曲电介质中的弹性波、挠曲电效应的实验表征、挠曲电效应的扩展有限元方法以及挠曲电器件设计等方面的研究工作，涵盖了挠曲电效应的基础理论、弹性波理论、扩展有限元方法及器件性能分析等内容。本书对固体电介质材料的挠曲电理论和应用的发展进行了综述和展望，并系统阐述了挠曲电效应的潜在应用价值和挠曲电器件的设计思路与方法。
本书可作为智能材料结构力学与挠曲电理论等相关力学、凝聚态物理、材料、机械等领域研究人员的参考书，也可作为相关专业高校师生的参考书籍，同时可供其他领域对固体电介质中挠曲电效应感兴趣的研究人员参考使用。
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（本期编辑：王芳）
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