壓電陶瓷復合織物的案例
一種柔性透氣壓電復合織物
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 壓電織物：將機械能轉化為電能，為小型電子設備供電！
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。
展開 comsol中壓電陶瓷仿真學習-材料篇
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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 comsol中壓電陶瓷仿真學習-邊界設置篇
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 
武漢理工《Nature》子刊：無鉛壓電陶瓷材料領域新進展！
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。
展開 怎么將廠家給的壓電陶瓷材料參數轉變為有限元輸入？
怎么將廠家給的PZT材料參數，變為輸入到有限元的矩陣呢??
【科普系列】金屬與陶瓷“強強聯合”---金屬陶瓷層狀復合材料
圖1 貝殼微觀結構形貌及疊層復合結構簡圖 (a) 珍珠層截面形貌；(b) 表面納米有機蛋白顆粒；(c)，(d) 珍珠層俯視形貌；(e)珍珠層結構簡圖
金屬陶瓷層狀復合材料(laminated metal/ceramics composites，LMCCs)正是在這種契機下應運而生，并在其誕生之后迅速成為復合材料研究領域的熱門課題之一。金屬陶瓷層狀復合材料是由至少一種金屬以片層形式與陶瓷交替排列而成，是將擁有不同化學、物理性能的兩種或多種材料按照不同的層間距、層厚比以及疊層數相互疊層制備的新型材料，通常是由基體材料和增強體復合制備而成，圖2是通過粉末冶金法制備金屬陶瓷層狀復合材料的工藝流程。微疊層復合材料中的強性層一般選用較高強度和彈性模量的結構陶瓷，該層主要起強化的作用，當受外界載荷時能保證材料具有較高的強度。陶瓷層通常選用SiC、Si3N4、Al2O3、ZrO2等材料。韌性層一般選用金屬或有機物質等韌性好的材料，保證材料具有良好的韌性。常見的韌性層材料有Ti、Ni、Fe等金屬材料，非金屬的石墨以及高分子材料的樹脂等。微疊層復合材料每個疊層的厚度通常要求為0.01~100 μm，而其性能是由每一個組分特性、體積分數、結構特點、層間距和各組分之間的互溶度共同決定的。由于材料結構的特殊性，金屬陶瓷層狀復合材料可以改善材料的斷裂韌度、疲勞性能、抗沖擊性能、抗磨損性能、抗腐蝕性能和阻尼性能等。
圖2 粉末冶金制備金屬陶瓷層狀復合材料工藝流程
最常見的金屬陶瓷層狀復合材料主要包括Ti基、Ni基、Al基、Mg基、Fe基、Cr基、耐熱金屬基、金屬間化物基等，其中以Al基、Ti基、Ni基復合材料發展較為成熟。
展開 Abaqus復合材料織物層板壓潰分析 ￥50
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 復合材料設計--纖維織物鋪放強度
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 基于ABAQUS的交流電驅動下壓電復合結構有限元分析
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。
展開 3D打印鈦基復合材料與陶瓷
[來源/圖片：通過硫酸鋁熱分解增強陶瓷增強鈦基復合材料的新方法]
在X方向上前后移動使粉末床變平
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一文了解納米氧化鋯復合陶瓷粉體
氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷的增韌機理是基體晶粒的細化、相變韌化、微裂紋增韌、裂紋的轉向與分叉。氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷的性能主要由其在燒結過程中形成的顯微結構，而顯微結構又主要由原料的粉體狀態來決定，所以有目的地進行粉體制備和粉體性能調控、處理，以制備優質Al2O3/ZrO2納米復合陶瓷粉體是制備性能優異氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷的前提。Al2O3/ZrO2納米復合陶瓷粉體制備方法主要有機械混合法、多相懸浮液混合法、溶膠-凝膠法、化學沉淀法等。
氧化鋯增韌氧化鋁復合陶瓷系統中，氧化鋁是一種高強度的基體，填隙的氧化鋯提供相變增韌機制，利用ZrO2的相變特性對陶瓷材料進行增韌仍是今后陶瓷增韌研究的主要課題之一。
氧化鋯增韌氧化鋁復合陶瓷具有優良的抗腐蝕性、抗熱振性、較高的強度和韌性，具有廣泛的應用前景。用氧化鋯增韌氧化鋁復合陶瓷可以制作陶瓷刀具用來實現對鑄鐵和合金的加工，還可以制成工程陶瓷的界面結構，以延長工程材料的使用壽命，用氧化鋯增韌氧化鋁可以制成耐磨瓷球，因為氧化鋁陶瓷材料具有良好的生物相容性，還可以作為生物醫用材料，用于硬組織(牙齒)的重建和修復。
3、氮化硼-氧化鋯復合粉體
氮化硼-氧化鋯復合粉體制備是利用機械混合法，以氮化硼、氧化鋯和添加助劑為主要原料，經混合配料后在酒精介質中球磨混料，干燥后制備得到復合粉體。其后裝模在熱壓燒結爐中燒成氮化硼氧化鋯復合陶瓷。由純氮化硼本身燒結能力差，難以燒結致密化，一般情況下需添加CaO、B2O3、Al2O3、ZnO等作為燒結助劑。
展開 熱管理用高導熱碳化硅陶瓷基復合材料研究進展
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結構設計提高熱導率
由于纖維預制體的結構特點，纖維增強碳化硅陶瓷基復合材料沿厚度方向，碳纖維與基體之間結合較弱，熱輸運能力較面內方向弱，面內熱導率約是沿厚度熱導率的 10~100 倍，熱導率各向異性。研究者圍繞高導熱填料的均勻分散以及如何構建連續有效的導熱通路，進行了諸多探索。
Zhang 等首先采用化學氣相滲透工藝制備出二維碳纖維增強碳化硅陶瓷基復合材料，厚度方向經連續微波激光(Continuous Wave Laser)打孔后，注射多層石墨烯溶液用以構筑厚度方向連續導熱通道，最后經化學氣相滲透工藝增密（如圖 10所示），使碳纖維增強碳化硅陶瓷基復合材料的熱導率提高了204%，為設計、制備連續纖維增強高導熱碳化硅陶瓷基復合材料提供了一種新的有效方法。
圖10 含石墨烯-碳纖維增強碳化硅陶瓷基復合材料導熱通路設計
Zhang 等利用熱導率為 500 W/(m·K)的中間相瀝青基碳纖維織物，正交鋪排堆垛后構建二維連續預制體，然后經化學氣相滲透沉積熱解碳基體和碳化硅，厚度方向輔之激光打孔以垂直排列高導熱纖維束，最后利用化學氣相滲透工藝制備高導熱碳化硅陶瓷基復合材料，如圖 11 所示。
展開 濟南大學Nano Energy：基于Ag /（K，Na）NbO3異質結構的高性能壓電復合發電機
【引言】
由于ZnO納米線壓電納米發生器（p-NG）于2006年提出，壓電能量收集技術因其將小規模機械振動轉化為電能的能力引起了人們的極大關注。在隨后的幾十年中，許多壓電半導體納米陣列作為納米級自給電源被開發出來，從而推動了集成微/納電子學的發展。為了更廣泛和有效地利用環境不規則的機械能源，柔性p-NG通過將無機壓電材料分散到適合的聚合物。為了進一步提高p-NG器件的輸出性能，選擇了具有優良壓電系數和機電耦合系數的各種鈣鈦礦材料加入到有機物體系中，與排列的單晶納米線陣列相比，柔性復合材料p-NG器件可以通過機械攪拌混合壓電顆粒和聚合物而制得，因此制備方法簡單。。
然而，由于無機壓電顆粒的極化不充分，導致p-NG器件只能產生納安級的電流。在整個結構的極化過程中，由于聚合物基體內顆粒的均勻分布和絕緣聚合物的高電阻，導致施加在壓電顆粒的電壓受到限制。因此，所有壓電顆粒的自發極化重新定向的程度相當低。許多研究人員已經證明，沒有極化的的壓電顆粒很難在機械應力下產生電能，因此復合壓電發電機的壓電勢非常低。
為了提高無機壓電顆粒的極化電壓和極化程度，一些導電納米材料，如還原氧化石墨烯，單壁或多壁碳納米管（SW / MW-CNTs）Cu納米棒和Ag納米線，添加到壓電復合材料中。除了作為分散劑和應力傳輸介質外，這些一維導電介質可以提供更多的導電通道，從而提升施加到無機顆粒上的極化分壓。從而提高p-NG器件的輸出電流。然而，由于有機物的流動性，很難建立一維導電介質和壓電顆粒之間的電耦合，這會阻止無機壓電顆粒的極化電壓的進一步提高。因此。輸出功率仍然受到影響，這在很大程度上限制了納米發電機應用。
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