JPD编辑优选：非定向液体材料中的挠曲电现象
本篇研究来自西安交通大学徐明龙教授课题组，研究开展了基于非定向液体的挠曲电效应理论分析和研究，建立了该类材料的应变梯度产生手段和电极化测量方法，并针对该方法设计了实验，对不同材料体系的非定向液体材料挠曲电效应进行了实验测量和验证。该工作首次揭示了非定向液体材料的挠曲电现象，开辟了挠曲电效应研究的新方向。
文章介绍
Flexoelectricity in Non-oriented liquids
Shuwen Zhang(张舒文), Kaiyuan Liu(刘开园), Hui Ji(嵇辉), Tonghui Wu(武彤晖), Minglong Xu(徐明龙), Shengping Shen(申胜平)
通讯作者：
- 徐明龙，西安交通大学
研究挠曲电效应的关键科学和技术问题主要有以下两点：应变梯度的产生和调控、以及电极化的测量。由于液体材料的流动性和不可压特性，传统固体电介质材料的挠曲电效应研究方法，包括应变梯度的加载和调控、电极方向的设计和布置等经验不再适用。因此需要针对液体材料的力学特性开展理论和实验研究。
为了解决液体材料应变梯度的施加问题，本研究设计了如图1(a)所示的非均匀截面的圆筒结构，并利用内摩擦定律描述了剪切应力与桶内同一高度上、不同位置处速度梯度的关系，又人为地向液体施加波形为正弦载荷的速度，从而通过对时间积分和对高度方向微分来解析应变梯度。
电极化测量则通过在应变梯度（高度）方向施加环状电极来完成。为了确保电极化测量的准确性，非对称电极的面积被平均处理，而等效挠曲电系数的计算则可通过应变梯度与电极化的表达式获得。
通过上述方法设计了如图1(b)所示的实验系统并挑选了数种典型的非定向液体材料进行实验验证。图2所示的实验结果表明，非定向液体材料确实有挠曲电效应，其挠曲电系数值横跨了3个数量级，且与理论预测结果有一定的一致性。该类材料的挠曲电系数还与其介电常数有明显相关性，且材料内的离子会对挠曲电效应形成一定的屏蔽效应。
该成果首次揭示了非定向液体材料的挠曲电现象，给出了理论解释和实验验证方法，利用流体力学的基本原理产生液体材料的应变梯度并设计了具体的实验系统，对几种典型非定向液体进行了实验测量。非定向液体挠曲电效应的研究既开创了挠曲电效应研究的新局面，又对非定向液体这类在工业和自然界中都广泛存在的材料力-电耦合性能进行了全新的描述，为该类材料的力-电耦合及其应用提供了新的理论和实验支撑。
研究背景
由于液体材料广泛存在于自然界和工业领域，该类材料的力-电耦合性能一直备受各界关注。挠曲电效应是指由应变梯度引起的电极化现象，它是一种普遍存在于介电材料中的力-电耦合现象，具有非常重要的科学研究意义和实际应用价值，但由于理论的缺乏和实验研究方法的困难，非定向液体材料的挠曲电效应一直未能得以开展。为了明确非定向液体材料挠曲电效应的机理和力-电耦合效率，开展该类材料的挠曲电效应理论和实验研究具有非常重要的意义。
作者介绍
徐明龙，西安交通大学教授、博导，主要研究方向为高精度作动器、力学量传感器，振动主动控制，类压电效应及其应用等；担任机械结构强度与振动国家重点实验室副主任，西安交通大学航天航空学院副院长等职务。