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comsol中壓電陶瓷仿真學習-材料篇

   因工作內容改變，最近開始自學comsol，希望能從軟件小白的角度分享一些學習經驗。本文主要對壓電仿真分享一下自己的理解。以如下官網案例為例，主要對其中的壓電部分進行講解，由于聲學部分對工作內容并沒有指導意義，因此跳過。

     官網案例鏈接（預應力螺栓 Tonpilz 型壓電換能器）：https://cn.comsol.com/model/piezoelectric-tonpilz-transducer-with-a-prestressed-bolt-14535

      首先對本案例模型進行簡單介紹：Tonpilz 型換能器用于相對低頻的大功率聲發射。這是聲吶應用中常用的換能器配置。換能器由前輻射頭、后蓋板及堆疊在兩者之間的壓電陶瓷環構成，壓電陶瓷環通過中心螺栓連接。該示例介紹如何包含螺栓預張力的影響。頻率響應顯示結構效應和聲學效應，如變形、應力、輻射功率、聲壓級、發射電壓響應 (TVR) 曲線以及聲束的指向性指數 (DI)。

      壓電效應我的理解是：

1、正向效應是力作用到壓電材料上產生電，可以做傳感器使用；

2、反向效應是電場作用到壓電材料上產生應變，可以做驅動器使用。

      壓電材料一般都是鋯鈦酸鉛、石英-天然陶瓷、聚偏二氟乙烯等進行制作的。鋯鈦酸鉛被通稱為PZT，是強電介質的鈦酸鉛（PbTiO3）和反強電介質的鋯酸鉛（PbZrO3）的固溶體，成分是〔Pb（Zr-Ti）O3〕。居里點根據兩者的混合比例不同而不同，大約在320℃附近有。在居里點以下沒有轉變點非常穩定。燒結性好，因為能夠充分的極化而且極化也比較的容易，所以能夠制作擁有高壓電常數的壓電陶瓷。通過改變混合比可以控制其機械Q值與相對介電常數等。

     壓電材料制作流程：

     壓電效應的產生原因是晶體結構自身的各向異性以及極化作用，默認情況下所有壓電材料Z方向極化（X3-方向），并且默認情況下材料與空間的Z方向重合，要改變極化方向，最簡單的做法就是創建一個新坐標系，并指定到壓電材料上。

     壓電材料有兩種本構形式，一種是應力-電荷形式，一種是應變-電荷形式。這個根據自己獲得的哪種形式的參數決定，兩者都差不多。對其中應力-電荷形式中關鍵的三個參數進行介紹一下，首先是CE這個表示彈性矩陣，就是各個方向的楊氏模量；e表示耦合矩陣，就是壓電常數，表示電能轉化成位移能力的大小；表示介電矩陣，就是介電常數，表示電容量的大小。

以上是我學習的一些小小總結和心得，如果哪里有不對的地方可以私信我指出來，謝謝了。

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