壓電材料與智能結構的案例
鄭小雨團隊突破晶格局限3D打印壓電智能材料
他們的設計方案正來源于利用壓電效應產生的晶格原理并打破晶格的局限性，通過三維幾何構型在二維投影面的投影的分布，巧妙的設計出在各個方向具有不同壓電輸出的人工壓感結構 (圖1)。該設計理念巧妙的聯想于人們熟悉的影子木偶游戲。 該單元人工晶格結構，通過排列組合，構成了三維桁架式立體結構。通過設計和機電耦合有限元計算，實現在三個坐標方向上具有不同的對稱性從而產生任意壓電系數空間方向張量，實現遠超過晶體本身的對稱分布。他們通過使用不同連接度的設計單元進行組合， 還可使一完整結構同時具有不同的剛度和強度特性，實現力電多功能壓電耦合材料。
圖1（a）
圖1（b）
圖1 三維投影法實現壓電張量方向設計
圖2: 高靈敏度壓電材料的合成及增材制造
1 多功能柔性可穿戴智能材料
通過電壓激活后，該團隊設計和制造出了一系列新型智能材料。該三維材料可具有任意形狀，任意內部結構復雜度，并且每一個節點，單元和材料本身任意部位均具有壓電感應功能，無需任何附加傳感器即可實現電壓輸出。 該團隊開發了該材料的多種潛在應用，他們做出了柔性壓電材料，將材料附著在任意曲面上探測壓力，將材料打印成指環感應手指彎曲力。 同時他們打印出輕質，堅硬的吸能材料，該壓電材料可實時探測到表面受到的沖擊同時將吸入的能量實時檢測出。
圖3: 可穿戴柔性壓電材料實時自行探測動態壓力
2 自感應吸能材料及護甲
由于這種智能材料各個部位均具有壓電感應，其打印制成的三維結構將無需任何附加傳感器，并探測出任意位置的壓力或震動。
展開 計算固體力學
計算固體力學
作者：劉正興，孫雁，王國慶 編著
出版社：上海交通大學出版社
出版日期：2000-12-1
ISBN：7313024576
字數：643000
印次：2
版次：1
紙張：膠版紙
定價：38 元當當價：30 元節省：8.00 元鉆石vip價：30.00 元
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內容提要
本書以能量原理作為理論基礎,以變分法作為數學工具,對有限單元的理論、建模、列式與求解作了詳盡的論述,同時也介紹了基于結構力學和彈性力學建立有限單元模型的一般方法。在此基礎上,逐個推導了桿、梁、板、殼和塊單元,重點介紹了目前工程中廣泛應用的矩陣位移法。以基于虛功原理的協調模型為重點,對基于余虛功原理的平衡模型,以及基于修正的能量原理的各類雜交模型也作了適當的介紹。
本書對固體力學一些新興領域中的數值分析方法,如彈性壓電材料與智能結構分析,流固耦合及哈密爾頓體系等進行了由淺入深的論述。
本書還結合具體問題,對邊界元法、半解析法、有限條法作了簡單的介紹。
本書是在參考了大量資料的基礎上，結合作者幾十年的研究成果匯編而成，可作為機械、土木、船舶與海洋、航空航天等工程專業本科生和研究生教材，也可作為工程技術人員的參考書。
展開 2018年第四屆國際機械結構與智能材料國際會議(ICMSSM2018)
2018年第四屆國際機械結構與智能材料國際會議(ICMSSM2018)
會議簡介
2018年第四屆機械結構與智能材料國際會議(4th ICMSSM2018)將于2018年9月22日—23日在中國深圳召開。會議主題包括新型功能材料、機械工程和機電一體化、機械設計、材料成型、智能材料等。此次會議也為廣大學者，專家提供一個平等的交流平臺。第四屆機械結構與智能材料國際會議誠邀您的加入。
●會議地點：中國，深圳
●會議時間：2018年9月22日-23日
●會議官網：http:/www.icmssm.org/
論文出版
本次會議被錄用的所有論文都將出版在會議論文集收錄在國際期刊"Materials Science Forum" [ISSN print 0255-5476 ISSN cd 1662-9760 ISSN web 1662-9752, Trans Tech Publications]上，由出版社提交主要數據庫（EI, SCOPUS, GOOGLE SCHOLAR等）檢索。
會議主題
會議主題包括機械結構和智能材料等。
T1: 材料科學與工程
T2: 機械工程和機電一體化
T3: 材料加工技術
T4: 材料科學和技術
重要日期
會議截稿日期:2018年6月4日
錄用通知日期:2018年6月7日
注冊截止日期:2018年6月15日
大會召開日期:2018年9月22-23日
投稿方式
Email: cfp@icmssm.org
聯系方式
郵箱： cfp@icmssm.org
微信：13125407442
網址: http:/www.icmssm.org/
電話: +86-24-83958379 王老師
Q Q: 2947191913
展開 主動變形智能復合材料設計與變形模擬報告
主動變形智能復合材料
設計與變形模擬報告
主動變形智能復合材料
設計與變形模擬報告 ￥19.89
在通電條件下，MFC發生電能-機械能轉換，驅動結構復合材料發生變形。主動變形智能復合材料的變形能力與MFC的性能、結構復合材料的厚度、鋪層方向等因素有關。復合材料的優勢是其結構包括鋪層的可設計性，因此，需進行鋪層設計及變形模擬方面的工作，為后續實驗研究提供理論指導。
二、研究內容
本項目以復合材料層合板+MFC復合后的材料為研究對象，以復合材料層合板的力學性能、MFC的基本性能為輸入，以復合材料層合板+MFC復合后的材料最大彎曲角度為2°為目標，進行鋪層設計和變形仿真模擬。建立厚度、鋪層方式與變形角度的關系，篩選出優化的鋪層和厚度，為下一步進行縮比典型試驗件的設計和研制提供理論指導。
展開 
《先進材料》中美合作實現獨立三維細微觀結構，電子器件及形狀可編輯的智能系統
然而，受成型三維結構尺寸及材料種類的限制，現有三維微結構的制備、組裝方法難以滿足當前三維微器件的快速發展需求。2015年《科學》的一篇封面論文報道了一種基于力學引導的三維屈曲組裝方法，依托一個預拉伸的彈性基底作為組裝平臺，能夠實現不同材料（金屬、聚合物、硅等）的跨尺度（微米至厘米）三維結構組裝，為解決上述問題提供了一種新的途徑。不過，該方法需要克服的一個挑戰是如何將形成的三維微結構與彈性基底分開并獨立存在，因為基底的存在很大程度上限制了該方法在機器人，生物醫療器件等領域中的應用。
近日，美國西北大學約翰?羅杰斯（John A. Rogers）課題組與清華大學航天航空學院張一慧課題組合作在《先進材料》（Advanced Materials）期刊上發表了題為Freestanding 3D Mesostructures, Functional Devices, and Shape‐Programmable Systems Based on Mechanically Induced Assembly with Shape Memory Polymers的研究論文。該成果原創性地提出了基于力學引導三維組裝，利用形狀記憶聚合物（SMP）的固形特性來制備獨立三維微觀結構及器件的新方法。該方法成功地實現了獨立的跨尺度多功能三維結構及器件，為三維微觀結構在未來多領域的應用提供了一條新途徑。
該研究團隊首先闡述了利用力學引導的三維屈曲組裝方法制備多尺度三維形狀記憶聚合物（SMP）結構的可行性。如圖一所示，該研究團隊制作了蝴蝶，章魚，螺旋結構等十多種從微米到厘米尺度的三維SMP結構，這些三維 SMP結構的大小，特征尺寸，以及厚度分別達到500微米，10微米和5微米，超過了已經報道的三維 SMP結構所能達到的尺度范圍。
展開 在 COMSOL 中正確模擬壓電材料
正/逆壓電效應與材料本身的各向異性程度緊密相關，反過來又與壓電材料的晶體結構存在關聯，而各向異性的程度同時又受到極化過程的影響。下面，我們將介紹如何在 COMSOL 軟件中正確地模擬壓電材料的晶體取向和極化方向。
壓電效應簡介
讓我們快速回顧一下壓電效應的概念：正壓電效應指材料受到機械力的作用時，其電極化會發生改變；而逆壓電效應指對材料施加外部電場后，材料會發生變形。
壓電效應源自晶體結構
在 32 種晶體中有 20 種為非中心對稱的晶體結構，而壓電效應往往與此有所關聯。石英等天然材料具有壓電效應，原因就在于其自身的晶體結構。而鋯鈦酸鉛（lead zirconate titanate，簡稱 PZT）等人工材料需經過極化過程才能表現出壓電特性。讓我們來一起探究微觀層面上究竟發生了什么，從而引起了壓電效應。
鈣鈦礦晶胞中偏離中心的鈦離子。
對于鈣鈦礦（perovskite，分子式為 CaTiO3）一類的典型的非中心對稱晶體結構來說，其晶體中每個晶胞的凈電荷均為零。然而，由于晶胞中的鈦離子略微偏離中心，因此產生了電極性，從而使晶胞轉化為有效的電偶極子。當機械應力作用在晶體上時，鈦離子的位置進一步發生變化，進而改變晶體的極化強度，產生正壓電效應；相反，當對晶體施加電場時，鈦離子的位置會發生相對移動，從而導致了晶胞變形，使其變得更接近（或偏離）正方體，這便是逆壓電效應的成因。
為何要對壓電材料進行極化？
在晶胞構成的宏觀晶體結構中，固有偶極子的取向原本是毫無規則的。當機械應力作用在材料上時，為使儲存在偶極子中的總機電能量降至最小，每個偶極子都會改變其初始取向，朝著使能量最小化的方向旋轉。如果所有偶極子的初始取向都雜亂無章（也就是凈極化為零）的話，旋轉行為可能不會顯著改變材料的宏觀凈極化，因此表現出的壓電效應可以忽略。
展開 comsol中壓電陶瓷仿真學習-材料篇
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。
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 .: 原位表征解密壓電材料電子應變的外在
【引言】
鋯鈦酸鉛(PZT)固溶體具有優異的壓電和介電性能，廣泛應用于傳感器、傳動器和電源等領域。在準同型相界(MPB)附近的復合材料中的PZT的超高電應變已成為非常重要的基本研究課題。為了更好地理解優異壓電性能背后的機理，研究人員對MPB中PZT的長程和短程結構已經進行了廣泛研究，但由于在電場應用下的原位研究相對較少，電子應變的機制仍然存在爭議。通常，場誘導的宏觀應變可以分為兩類貢獻：外在的(例如非180°疇切換、場誘導相變)和本征(例如場致壓電晶格應變)貢獻。盡管在先前的研究中報道了PZT的本征和外在貢獻，但是兩類貢獻在MPB附近組成的函數的趨勢尚不清楚，特別是對于Nb摻雜的復合材料。
【成果簡介】
近日，北卡羅來納州立大學Jacob L. Jones研究員、西安交通大學李盛濤教授(共同通訊作者)等利用高能同步輻射X射線衍射(XRD)結合面積檢測器來測量1% Nb摻雜的PbZrxTi1-xO3(PZT，0.50 ≤ x ≤ 0.56)壓電陶瓷對電場的響應，并在Acta Mater.上發表了題為“Deconvolved intrinsic and extrinsic contributions to electrostrain in high performance, Nb-doped Pb(ZrxTi1-x)O3 piezoceramics (0.50 ≤ x ≤ 0.56)”的研究論文。作者使用涉及基于微機械的計算和配對分布函數(PDF)分析，發現本征和外在貢獻對于實現高電子應變均非常重要。在最接近準同型相界(MPB)的組合物中，本征響應的相對貢獻增加。
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 新型材料丨壓電面料 能將衣服變成電子設備，講究！
日本大阪關西大學也在努力，他們開發出第一代壓電面料。
這種類型的面料有一根導電碳纖維紗芯，還有一根壓電聚左旋乳酸纖維紗和一根聚對苯二甲酸乙二醇酯中間鞘；外面還有導電纖維保護罩。
在新衣服的連接和功能方面，這些材料組件起到了關鍵作用。
壓電編織繩會生成電信號，這些信號是受到3D運動的刺激生成的。當用戶穿上新面料制成的衣服，就會有各種各樣的動作，比如彎曲、扭曲。不只如此，同軸線纜面料彼此交織在一起，變成壓電編織繩。它會起到電磁屏蔽作用，提高敏感度。保護屏障相當重要，是必要的，這樣衣服就不會受到設備(比如手機)環境噪音的干擾。清除電磁干擾相當重要，只有清除才能確保衣服使用的技術完美工作。
首席研究員Yoshiro Tajitsu在接受雜志采訪時說：“我們的研究目標是開發功能性服裝，有時還與電子織物有關。”談到技術的未來，他補充說：“我們相信，有了人機設備，用戶可以與外部設備以自然的方式交流，不會因為復雜的運動受到限制或者受到阻礙。”
Yoshiro Tajitsu還說，電子織物必須舒適、時尚。如果想說服用戶購買衣服，這是必要的一步。研究人員用新面料編織了三種傳統日本裝飾結(也就是Kame，Kicchyo和Awaji)，日本人用這些裝飾結制作和服，給婦女穿。
Kame和Kicchyo裝飾結會產生強大的信號，變成電能，足以讓傳感器運作，讓手機拍出自拍照，只需要扭曲衣服的裝飾結就行了。
從時尚角度看，可以將新技術放進健康設備中，比如用來監視病人的關鍵身體信號。
展開 
結構化知識庫+研發智能體｜開啟智能研發時代
?想必大多數研發工程師都經歷過這些場景：花了三天做的仿真，隔壁同事說兩年前做過，但文檔早找不到；想查某批次材料參數，需要在PLM、SDM、甚至Excel表里來回折騰；通用大模型回答看起來很專業，但你不敢用來決策，因為它沒有確切聚焦于你實際業務的資料依據。
這些問題背后，是五個長期存在的行業痛點：知識孤島、檢索低效、更新滯后、無法推理、AI幻覺。傳統知識庫本質是一個“數字檔案室”——你存了什么它知道，但你想問什么它不理解。你搜“疲勞斷裂”，它返回所有包含這四個字的文檔，但具體哪一頁回答了你的問題？你自己翻。
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編輯
這導致一個現實：各類研發、制造、管理數據積壓沉睡，用戶卻無法獲得對于業務決策行之有效的答案。
PART/1
破局：從“文檔管理”到“知識推理”
戴西軟件面向工業研發領域推出NexAI Suite多業務智能體套件（后稱NexAI），它的解決思路很直接：用統一的AI數據中臺，把企業內部分散的、異構的數據整合，真正變成可理解、可推理、可追溯的活知識。
其核心能力不但是通用大模型的有效集成，還通過GraphRAG（基于圖結構的檢索增強生成）+RAG（檢索增強生成）雙引擎的高效技術融合推動智能體基于真實的業務數據理解用戶問題，并提供可追溯，有依據的準確答案。
RAG讓大模型去“翻書”，GraphRAG讓大模型先去“看關系圖譜”，理解知識點之間的邏輯關聯，再回來找證據。這樣既能回答“是什么”，也能回答“為什么”和“如果……會怎樣”，同時從根本上抑制AI幻覺。
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編輯
RAG+GraphRAG雙引擎接入大模型
更重要的是，NexAI不是單一工具，而是一套面向工業研發場景的智能體套件。這些智能體各司其職：有的寫需求，有的畫時序圖，有的分析仿真云圖，有的做項目風險預警。
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??
Nature Mater. 3D打印壓電材料！任意方向運動轉化為電能
不同于傳統壓電材料，這種新方法使得用戶可以規定和設定電壓響應，使之可在任意方向上被放大、反轉或者抑制。
目前的壓電制造工藝中的一個因素就是：采用天然晶體。在原子水平，原子的方向是固定的。Zheng 的團隊制造了一種替代物，它可以模仿晶體，但是卻允許通過設計改變晶向。鄭小雨表示：我們已經合成了一類高度靈敏的壓電油墨，這些油墨可以通過紫外線雕塑成三維特征。這些油墨含有高濃度的壓電納米晶體。這些晶體與對紫外線敏感的凝膠粘在一起形成一種溶液，像熔融結晶一般的乳白色混合物。然后，我們通過高分辨率的數字光3D打印機來打印。團隊通過可以測量人類發絲直徑的分數的比例尺，演示了這種3D打印的材料。可以定制這種架構，使之更具柔性，并使用它們，例如作為能量采集器件，包覆任意曲面。
打印的柔性納米材料薄片
團隊開發出的3D打印壓電材料的新技術，使它們不再受到形狀或者尺寸的限制。這種材料也可以在激活后，為觸覺感知、沖擊與振動監測、能量采集以及其他應用提供新一代的智能結構與智能材料。在這些領域，完全由壓電材料制成的結構，可以感知沖擊、振動與運動，并監測和定位它們。
論文第一作者崔華晨表示：“傳統意義上，如果你想要監測一個結構的內部力度，你需要將許多單獨的傳感器放置在這個結構之上，每個傳感器都具有許多的線與連接器。在這里，結構本身就是傳感器，它可以實現自我監測。”
來源：材料科學與工程
展開 基于第三代半導體材料的壓電電子學和壓電光電子學
【引言】
以氮化鎵，碳化硅和氧化鋅等為代表的第三代半導體材料已經在消費電子，5G通訊，電動汽車，光電通信等諸多新興領域得到廣泛應用。這些寬禁帶材料同時也具有非中心對稱的晶體結構，因而表現出顯著的壓電特性。然而這些材料中壓電極化電荷和半導體特性的耦合過程長期以來被忽略。
針對壓電半導體中極化電荷和半導體特性耦合過程的研究和應用，佐治亞理工學院及中國科學院北京納米能源與系統研究所的王中林院士分別于2007年和2010年首次提出壓電電子學和壓電光電子學的基本概念和原理，并建立了壓電電子學和壓電光電子學這兩大新興學科。在壓電電子學效應中，壓電半導體材料受機械作用產生的極化電荷對金屬-半導體肖特基結或p-n結界面處的載流子傳輸過程進行有效調制，實現了將外部機械信號轉變為壓電電子學器件（例如晶體管，邏輯電路等）中的門控信號。在壓電光電子電子學效應中，壓電半導體材料受機械作用產生的極化電荷對光生載流子的產生，復合，分離以及輸運的過程進行有效調制，實現了將外部機械信號轉變為壓電光電子學器件（例如光電探測器，發光二極管等）中的門控信號。
壓電電子學和壓電光電子學不僅提供了豐富的基礎研究機會，并在人機交互、微納機電器件、傳感和自驅動系統，人工智能等領域也具有廣闊的應用前景，由此激發了科研人員在這個領域的研究興趣。近年來對于壓電電子學和壓電光電子學的基礎及應用研究取得了快速地發展。多種功能材料中的壓電電子學和壓電光電子學的基本效應得到了系統深入地研究，相關的理論體系得以建立，諸多壓電電子學和壓電光電子學器件也被設計研發。為增進研究者們對壓電電子學與壓電光電子學的理解以推進其實際應用，王中林院士組織領域內研究者在2018年12月的美國材料學會會刊（MRS Bulletin）上撰寫了主題為“壓電電子學和壓電光電子學”的專刊。
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