壓電復合織物
關注創建者：匿名 創建時間：2021-07-26
壓電復合織物的實例教程
更重要的是，這種壓電陶瓷織物展示出令人滿意的壓電性（d33為190 pm V-1）、透氣率（45.1 mms-1）、柔性（楊氏模量為0.35 GPa）和韌性（0.125 MJ m-3）。這種更注重均衡性能的設計策略進一步促進了功能材料在可穿戴設備和柔性電子產品中的應用。
圖1 具有多級結構的壓電陶瓷復合織物示意圖及其應用
圖2 多級壓電復合纖維機械性能和壓電性能的仿真結果
圖3顯示了這種壓電復合織物的合成示意圖，其主體由PZT陶瓷骨架和P（VDF-TrFE）涂層組成，兩側再貼附銅網作為電極。與采用的織物模板類似，相互纏繞的亞毫米級多股陶瓷纖維構成了 PZT 陶瓷骨架，而組成陶瓷纖維束的微米級 PZT 纖維則是二級結構。包覆PZT陶瓷骨架的P(VDF-TrFE)薄膜不僅為壓電復合織物提供了更好的機械性能，而且本身也是壓電材料，進一步提高了其壓電性能。
圖3 壓電陶瓷復合織物的合成示意圖及相關表征
而這種壓電復合織物內部獨特的多級孔隙結構，也讓其具有良好的透氣性（圖4）。在機械性能方面，相比于傳統的壓電復合材料，這種壓電復合織物具有更高的楊氏模量，斷裂強度，拉伸率，韌度及斷裂能（圖4）。
圖4 壓電陶瓷復合纖維的透氣性及機械性能
在壓電性能方面，這種具有多級結構的壓電陶瓷織物能夠產生128 V的開路電壓，足以同時點亮75盞LED。在1MΩ的最佳匹配電阻下，能夠產生 0.75 mW cm-2的瞬時功率密度，遠高于之前報道的工作（圖5）。
圖5 壓電復合織物的壓電性能
為了評估這種壓電復合織物在人體運動監測和能量收集中的潛在應用，研究人員將其作為鞋墊墊于鞋底，從而將人體行走產生的能量轉換為電信號。
展開 這項技術是基于之前研究人員開發壓電纖維的研究，現在他們進一步增加了尺寸。
（圖片來源：參考資料【2】）
Lund 表示：“壓電纖維由圍繞著導電內核的壓電外殼組成。這種壓電紗線與商用的導電紗線結合組成一個串聯電路。”在進行生產時，纖維暴露于強電場中，引起聚合物中的正負電荷以一種有序地方式分離。當織物被拉伸或者暴露于壓力下時，纖維的形變將引起電荷分布的重組，從而產生電壓。導電紗線形成電流可以在其中流動的閉合電路。
（圖片來源：參考資料【2】）
研究人員之前對于壓電織物的研究主要集中于傳感器以及它們通過壓力敏感性產生電信號的能力。
價值
Lund 表示：“由壓電紗線編織成的織物，使得這項技術更加容易理解，而且它可用于日常生活中。織物中也有可能添加更多的材料，或者使用它作為多層產品中的一層。這需要一些修改，但是是可行的。”
研究人員認為，這項技術從根本上說已經可用于大規模量產。現在主要是工業產品開發者要搞清楚如何利用這項技術。除了構成材料的先進技術外，成本相對較低，與Gore-Tex 的價格差不多。通過與瑞典紡織學院的合作，研究人員已經能過證明，紗線可以在工業織機中編織，并且有足夠的耐磨性去應對量產的嚴苛條件。
展開 近期咨詢復合材料層板壓潰分析的特別多，原來是今年的“上緯杯”第五屆全國大學生復合材料設計與制作大賽題目是“復合材料吸能柱結構”，于是，我們也湊湊熱鬧，做一個Abaqus復合材料織物波紋板壓潰的案例。
波紋板壓潰效果圖
1
幾何模型
幾何形式為一段近似波紋板的結構，其草圖如下：
拉伸50mm后形成幾何實體，為了快速誘導壓潰的產生，波紋板的頂部設置45°倒斜角，如下圖所示。
層壓板由織物組成，共8層，鋪層順序為[0/90]2s，板厚約2mm，逐層將幾何進行切分，共切分出8層，如下圖所示。
2
材料模型
該分析模型中的材料模型采用Abaqus內嵌的織物的VUMAT，該程序為內嵌程序，看不到源代碼，但是我們可以直接填寫材料參數，調用其本構就可以，電腦上也無需配置子程序。
面內織物及層間COHESIVE 的材料參數如下所示。
展開 一般對硼／環氧復合材料可取β＝0.63，玻璃／環氧復合材料可取雇＝0.20。
正交織物復合材料彈性常數和基本強度
以織物(指以相互垂直的經紗和緯紗構成的正交織物，如玻璃纖維布)為增強材料制成的復合材料單層板稱為織物復合材料單層板，又稱雙向單層板。織物復合材料在工程上廣泛使用。若用nL和nT分別表示單位寬度正交織物中經向和緯向纖維量，實際上只需知道兩者的相對比例即可。例如(1 ：1)平衡型織物，則nL ：nT ＝l ：1；(4 ：1)單向織物，則nL ： nT ＝4 ：1。經向和緯向纖維量與總纖維量之比為
因此，對于(1 ：1)平衡型織物，fL＝50％，fT＝50％；(4 ：1)單向織物fL＝80％，fT＝20％。
正交織物復合材料的彈性常數
如圖4.5.1(a)所示的雙向板可看成兩塊單向板[圖4.5.1(b)與(c)]的組合，再將兩單向板以纖維互相垂直的方向新結在一起[圖4.5.1(d)],受力后具有相同的應變。
雙向單層扳的彈性常數可以按以下公式預測
(1)經向彈性模量EL
式中E1、E2——分別表示單向板的縱向彈性模量和橫向彈性模量；
fL、fT——分別為經向纖維含量和緯向纖維含量，fL和fT可由式(4．5．1)分別計算
K——織物波紋影響系數，通常取K＝0.90—0.95。
(2)緯向彈性模量ET
式中的符號與式(4.5.2)相同。
(3)經向泊松比νL和緯向泊松比νT
式中ν1為單向板的縱向泊松比。
正交織物復合材料的泊松比很小，這是由于橫向纖維阻止了泊松收縮
(4)經緯剪切彈性模量GLT
式中G12——單向板的面內剪切模量
K——織物波紋影響系數。
展開 壓電材料（PZT）具有正逆壓電效應，即當壓電材料受到機械變形時有產生電勢的能力；對它施加電壓時有改變壓電結構形狀的能力。此外，PZT因其測量精度高、響應速度快和性能穩定等優點在航空航天、精密測量、信息通訊和土木工程等領域發揮著重要作用。
一、PZT的本構模型
根據Zhou等人的研究，壓電材料第一種形式的本構方程為：
對于三維正交各向異性結構，其剛度系數矩陣、壓電系數矩陣、介電系數矩陣如下所示，本構方程寫成矩陣形式：
二、交流電驅動的壓電結構有限元仿真
1.應用背景簡介
以面向變體機翼應用的壓電復合結構為例，如圖1所示，變形所需的機械能由每個機翼上的三組壓電元件提供。這些驅動器沿翼展均勻分布，以實現沿翼展撓度幅值的主動控制。壓電元件除了為機翼的變形提供機械能外，還增加了整體結構的剛度，提高了承載能力。
2.有限元模型建立
將上述變體機翼進行簡化，建立圖2所示的壓電復合結構有限元模型，單位制采用m-kg-N-s。基體選用金屬矩形板，彈性模量為70GPa，泊松比為0.3，尺寸為1×0.2×0.02(m)，選擇進行C3D8R單元進行網格劃分；壓電片材料選用PZT-5，采用上述壓電本構模型，尺寸為0.1×0.1×0.01(m)。
3.邊界條件設置
邊界條件為基體板左側固定端約束，右端自由，壓電片上下表面施加5個周期的220V正弦交流電，如圖3所示。定義分析步，打開幾何非線性開關，設置步長為100s，每間隔1s輸出一組結果，采用動力學隱式求解方法。
4.計算結果
通過ABAQUS有限元計算可以得到壓電復合結構的正弦振動響應結果，如圖4所示，動態圖展示了壓電復合結構在交流電作用下動力學響應。
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壓電材料（PZT）具有正逆壓電效應，即當壓電材料受到機械變形時有產生電勢的能力；對它施加電壓時有改變壓電結構形狀的能力。此外，PZT因其測量精度高、響應速度快和性能穩定等優點在航空航天、精密測量、信息通訊和土木工程等領域發揮著重要作用。
一、PZT的本構模型
根據Zhou等人的研究，壓電材料第一種形式的本構方程為：
對于三維正交各向異性結構，其剛度系數矩陣、壓電系數矩陣、介電系數矩陣如下所示
圖5 壓電復合織物的壓電性能
為了評估這種壓電復合織物在人體運動監測和能量收集中的潛在應用，研究人員將其作為鞋墊墊于鞋底，從而將人體行走產生的能量轉換為電信號。在此基礎上，研究人員構建了一種基于該種壓電復合織物的計步器，用于計算步行時的步數。在2分鐘內，該計步器成功記錄了63步，同時將其顯示在手機屏幕上。
此外，由這種壓電復合織物產生的電信號還可用于人運動時的能量收集。
近期咨詢復合材料層板壓潰分析的特別多，原來是今年的“上緯杯”第五屆全國大學生復合材料設計與制作大賽題目是“復合材料吸能柱結構”，于是，我們也湊湊熱鬧，做一個Abaqus復合材料織物波紋板壓潰的案例。
波紋板壓潰效果圖
縱向壓縮強度
縱向壓縮強度的預測遠不如縱向拉仲強度那樣簡單而準確。與縱向拉伸不同，基體在縱向壓縮中起重要作用。基體給予纖維側向支持使纖維承載但不屈曲。沒有基體的支持，纖維就不能承受壓縮載荷。
纖維微屈曲和剪切破壞是復合材料縱向壓縮破壞的兩個主要原因。此外，還有纖維微屈曲后引起的界面脫黏、層間分層，橫向拉伸引起的縱向開裂等破壞原因。試驗結果表明，在比預計壓縮強度低得多的應力下
導讀
近日，瑞典科學家開發出一種能將動能轉化為電能的織物。織物受到的負荷越大，變得越濕潤，產生的電力也越多。
背景
壓一下某種材料，就會產生電力？聽上去有點不可思議，但這正是所謂的“壓電效應”向我們所展示的。
（圖片來源：維基百科）
壓電效應（piezoelectric effect），簡單說，就是指對壓電材料施加壓力，便會使其產生電位差（正壓電效應）；反之施加電壓
【本文亮點】
化學Ag / KNN（K0.5Na0.5NbO3）異質結可以構建Ag納米顆粒和KNN顆粒之間的電耦合，并首次將這種化學異質結引入到p-NG器件中。
Ag顆粒可以有效地提高極化過程中施加在KNN顆粒的極化電壓。
具有Ag / KNN異質結構的p-NG器件可分別產生超高的~240 V開路電壓和?23μA的短路電流，遠高于純KNN顆粒嵌入式p-NG器件（? 3.5 V和0.3μA）
