壓電陶瓷復合織物
關注創建者：匿名 創建時間：2021-07-26
壓電陶瓷復合織物的視頻教程
壓電陶瓷PZT諧響應分析
本課程詳細的介紹了壓電材料PZT串聯電阻單元在ANSYS經典平臺上的使用，視頻同時介紹了GUI操作以及命令操作，同時講解如何整理GUI生成的命令流。 視頻包括：單元材料的設置、建模、網格劃分、模態分析與諧響應分析的求解設置、通用后處理與時間歷程后處理等步驟的介紹. 附近包括：PZT材料介紹文檔、課程中的命令流文檔.
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ANSYS & Abaqus~壓電陶瓷材料和仿真計算
課程內容涉及到壓電材料相關內容以及壓電仿真相關的軟件操作： 具體包括：壓電材料簡介、性能參數和壓電方程等。 壓電仿真軟件操作實例（Piezoelectric Fan）： ANSYS_Workbench—ACT壓電插件實例操作； Abaqus 實例操作(Step by Step)； 模態分析 & 諧響應分析 ； 壓電材料的逆壓電效應和正壓電效應。
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壓電陶瓷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 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，則產生機械應力（逆壓電效應）。從能量角度說，在某些材料中，存在機械能與電能的互換現象。壓電材料因機械形變產生電場，也可因電場作用產生機械形變。
一般來說，壓電材料包括：骨頭、蛋白質、DNA、陶瓷、塑料、織物等等。此類材料的應用范圍非常廣，例如：移動電話的諧振器和振動器、深海聲納、超聲波成像等等。壓電效應的主要用途之一就是發電，例如我們走路時踩踏產生的能量，甚至機械振動、噪音產生的能量都可以被采集起來轉化為電能。
有關壓電效應的創新案例之前多次介紹，下面帶大家回顧一下幾個經典案例：
1) 美國賓夕法尼亞州立大學研發出的新型換能器，可以采集人體低頻運動的能量，為智能手機、可穿戴設備、平板電腦等電子設備供電。
（圖片來源：Wang Lab/賓夕法尼亞州立大學）
2）美國范德堡大學開發的新型超薄能量采集系統，即使受到極低頻率的人體運動所產生的彎曲或按壓，也可以產生少量電力。
（圖片來源于：John Russell / 范德堡大學）
3）愛爾蘭利默里克大學（UL）伯納爾學院的科學家觀察到溶菌酶晶體（一種大量存在于禽類蛋清以及動物眼淚、唾液、牛奶中的蛋白質）能在受壓時產生電力。
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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。
展開 螺栓處一致對的設置：
壓電材料添加兩個，域的選擇彼此錯開就行，在材料的本構關系中選擇應力-電荷型，第一個壓電材料設置中坐標系就默認全局坐標系，因為默認情況下材料與空間的Z方向重合；而第二個壓電材料需要一個坐標系與材料的x3軸重合，材料x3軸現在是向下的，因此將坐標系的Z軸轉到下面就行，這里用到的是旋轉坐標系，這個坐標系的運轉方式是Z-X-Z，Euler 角 α、β 和 γ 的圖像，其中 xyz 表示原始坐標系，XYZ 表示旋轉坐標系。按右手定則，先繞Z軸旋轉α角，然后基于新坐標系繞X軸旋轉β角，再基于新坐標系繞Z軸旋轉γ角，即可得到最終的坐標系，這里僅需要輸入β角為pi即可。這里也可以使用基失坐標系，X3軸填-1即可。
在靜電（es）的設置中相對比較簡單，選擇四個壓電陶瓷零件作為計算域，在電荷守恒，壓電1中也同樣選擇四個陶瓷件，其他都默認即可。
展開 近日，武漢理工大學張聯盟院士團隊與澳大利亞伍倫貢大學、西安交通大學科研團隊合作，報道了摻雜劑在鈮酸鉀鈉（K0.5Na0.5NbO3，KNN）無鉛壓電陶瓷中對原子尺度結構、宏觀相結構以及性能的影響與貢獻，對新型壓電陶瓷的設計與制備提供了新的思路。該研究成果以“The mechanism for the enhanced piezoelectricity in multi-elements doped (K,Na)NbO3 ceramics”為題，發表在《自然通訊》(Nature communications)上。
論文連接：
https://www.nature.com/articles/s41467-021-21202-7
壓電陶瓷材料可以將機械能轉換為電能或者將電能轉換為機械能，因此被廣泛的應用于機電轉換領域。近年來，人們環保意識和健康意識的增強，無鉛壓電材料得到了快速發展。在KNN壓電陶瓷材料中，多元素摻雜是一個重要的研究方向，但其摻雜劑與微觀結構、宏觀結構和性能的關系一直難以建立，限制著新型壓電材料的設計與制備。探索摻雜劑與微觀、宏觀和性能的關系，將有助于加深對壓電陶瓷摻雜改性機制的理解，并進一步設計新型的壓電陶瓷材料。
合作團隊采用雙球差校正電鏡分析技術，對所制備的多元摻雜KNN陶瓷進行原子結構表征，發現摻雜劑誘導的四方相宏觀結構中存在大量的小角度極化區域。通過模擬分析表明，小角度的極化矢量區域比大角度的極化矢量區域更容易在電場下發生變化，并促進整體結構的變化，說明多元摻雜形成的宏觀四方相結構，可以顯著提高材料的壓電性能。
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壓電陶瓷復合織物的最新內容
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
來源 | 無機材料學報
作者 | 陳強，白書欣，葉益聰
單位 | 國防科技大學 空天科學學院，材料科學與工程系
原位 | DOI：10.15541/jim20220640
摘要：碳化硅陶瓷基復合材料以其高比強度
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怎么將廠家給的PZT材料參數，變為輸入到有限元的矩陣呢??
基于此，來自香港城市大學機械工程系的楊征保課題組研發了一種柔性透氣并具有高輸出的壓電陶瓷復合織物，其內部獨特的多級結構能夠有效強化其機械性能。
金屬材料、陶瓷材料與有機高分子材料被稱為現代社會三大固體工程材料。其中金屬材料因其擁有優異的韌性、良好的導電傳熱性，而被廣泛應用在工程機械的關鍵零部件和結構件中，但耐腐性能差、易氧化、高溫強度較低等缺點限制了金屬材料的發展。陶瓷材料的高硬度、高強度及其擁有的極佳的耐磨損、耐腐蝕、耐高溫等特性使其在金屬冶煉、石油化工、航空航天及新能源等領域擁有著極其廣闊的應用前景
為落實“十四五”期間國家科技創新有關部署安排，國家重點研發計劃啟動實施“先進結構與復合材料”重點專項。根據本重點專項實施方案的部署，科技部近日發布了2021年度項目申報指南。該指南重點圍繞先進結構陶瓷與陶瓷基復合材料、高溫與特種金屬結構材料、先進工程結構材料、結構材料制備加工與評價新技術等7個技術方向。
本重點專項總體目標是：面向制造強國、交通強國、航天強國建設等國家重大需求部署先進結構與復合材料研發任務
近日，武漢理工大學張聯盟院士團隊與澳大利亞伍倫貢大學、西安交通大學科研團隊合作，報道了摻雜劑在鈮酸鉀鈉（K0.5Na0.5NbO3，KNN）無鉛壓電陶瓷中對原子尺度結構、宏觀相結構以及性能的影響與貢獻，對新型壓電陶瓷的設計與制備提供了新的思路。該研究成果以“The
