壓電材料與工程的案例
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
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。
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 
鄭小雨團隊突破晶格局限3D打印壓電智能材料
壓電材料是受到壓力作用時會在相對表兩端面間產生出現電壓的晶體材料。 壓電材料存在于現有各種傳感器當中，在換能器，傳感器，驅動器，聲納，手機 和 機器人等方面有普遍應用。
1880年，法國物理學家P. 居里和J.居里兄弟發現，把重物放在石英晶體上，晶體某些表面會產生電荷，電荷量與壓力成比例。利用壓電材料的這些特性可實現機械振動（聲波）和交流電的互相轉換。 打火機的點火裝置，就是由壓電陶瓷受壓力尖端放電產生。
壓電效應的產生是晶胞中正負離子在外界條件作用下出現的相對位移使正負電荷中心不再重合，導致晶體發生宏觀極化。 壓電電荷的流動方向取決于并遵循其陶瓷和晶體材料的晶格排列。其電壓輸出特性、壓電系數便局限于壓電材料本身的空間晶格排列。所有壓電傳感器，便需要特定的工藝制成片狀，分別制成陣列，安裝于需要傳感的物體表面。因此，壓電材料的難加工，脆性，重量，設計和操縱的難度是本領域的一大挑戰。
為解決上述上述挑戰，位于美國東部的弗吉尼亞理工學院的Xiaoyu (Rayne) Zheng 鄭小雨教授及其實驗室博士團隊首次打破這一局限，提出可任意設計可快速打印的壓電三維材料，實現電壓在任意方向可被放大，縮小，及反向的特性。
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 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。
展開 ABAQUS-復合材料工程應用案例大合集-快速提高abaqus工程應用技能
ABAQUS-復合材料工程應用案例大合集-快速提高abaqus工程應用技能
【工程材料】一看全懂！機械工程師必知的24種常用金屬材料及其特性
5、35——各種標準件、緊固件的常用材料
主要特征: 強度適當，塑性較好，冷塑性高，焊接性尚可。冷態下可局部鐓粗和拉絲。淬透性低，正火或調質后使用應用舉例: 適于制造小截面零件，可承受較大載荷的零件：如曲軸、杠桿、連桿、鉤環等，各種標準件、緊固件。
6、65Mn——常用的彈簧鋼
應用舉例:小尺寸各種扁、圓彈簧、座墊彈簧、彈簧發條，也可制做彈簧環、氣門簧、離合器簧 片、剎車彈簧、冷卷螺旋彈簧，卡簧等。
7、0Cr18Ni9——最常用的不銹鋼（美國鋼號304，日本鋼號SUS304）
特性和應用: 作為不銹耐熱鋼使用最廣泛，如食品用設備，一般化工設備，原子能工業用設備。
8、Cr12——常用的冷作模具鋼（美國鋼號D3，日本鋼號SKD1)
特性和應用: Cr12鋼是一種應用廣泛的冷作模具鋼，屬高碳高鉻類型的萊氏體鋼。該鋼具有較好的淬透性和良好的耐磨性；由于Cr12鋼碳含量高達2.3%，所以沖擊韌度較差、易脆裂，而且容易形成不均勻的共晶碳化物；Cr12鋼由于具有良好的耐磨性，多用于制造受沖擊負荷較小的要求高耐磨的冷沖模、沖頭、下料模、冷鐓模、冷擠壓模的沖頭和凹模、鉆套、量規、拉絲模、壓印模、搓絲板、拉深模以及粉末冶金用冷壓模等。
9、DC53——常用的日本進口冷作模具鋼
特性和應用: 高強韌性冷作模具鋼，日本大同特殊鋼（株）廠家鋼號。高溫回火后具有高硬度、高韌性，線切割性良好。
展開 
材料創新從20年縮短到2年？材料基因組工程揭秘
當前，在中國，降低核心關鍵材料的對外依存度的緊迫性正越來越凸顯。
中國材料科學界在1999 年6 月召開主題為"發現和優化新材料的集成組合方法"的第118 次香山科學會議，尋找加速發現新材料的有效途徑。2011 年12 月，中國科學院和中國工程院主辦主題為"材料科學系統工程"的第S14 次香山科學會議，研究中國應對MGI 的策略，并在隨后3 年中，多次組織以材料基因組計劃為主題的研討會、報告會，使得中國材料界對材料基因組技術的認識不斷深入，形成基本共識。2014 年，中國科學院和中國工程院分別向國務院提交咨詢報告，建議盡快啟動實施中國材料基因組計劃。
2016年8月8日，國務院印發《“十三五”國家科技創新規劃》，面向2030年的15個重大科技項目就包括“重點新材料研發及應用：重點研制碳纖維及其復合材料、高溫合金、先進半導體材料、新型顯示及其材料、高端裝備用特種合金、稀土新材料、軍用新材料等，突破制備、評價、應用等核心關鍵技術”。提出發展變革性的材料研發與綠色制造新技術，“重點是材料基因工程關鍵技術與支撐平臺”。
2017年4月，中國科技部發布《“十三五”材料領域科技創新專項規劃》，從四個層面部署了材料領域發展目標：
發揮材料的基礎性和支撐性特征，大力推進量大面廣的傳統（基礎）材料技術提升，滿足國家建設需求、實現節能減排；
發揮材料的先導性特征，重點發展戰略性電子材料、先進結構材料、新型功能與智能材料，滿足戰略性新興產業的發展需求；
發展前瞻性材料技術，突破納米材料技術、材料基因工程技術，形成新的技術和經濟增長點；
加強材料基地與人才隊伍建設，增強材料領域的持續創新能力。
2018年7月，來自云南省科技廳的消息稱，稀貴金屬材料基因工程已正式在云南省啟動實施。
展開 【兩刊動態】《材料工程》《航空材料學報》繼續入編北大《中文核心期刊要目總覽》
編輯部兩本期刊《材料工程》《航空材料學報》繼續入編《中文核心期刊要目總覽》2020年版（即第9版）一般工業技術類和金屬學與金屬工藝類核心期刊。衷心感謝各位關注以及幫助兩刊的科研工作者們，也請繼續支持兩刊的工作更上一層樓！
工程化的復合材料疲勞仿真方法
金屬的疲勞壽命研究已經較為成熟了，有大量的數據庫和工程預測手段。并且很多的工藝和檢測手段可以有效對結構疲勞進行管控，并誕生了“結構健康監測”這樣一個方向。像體檢那樣，通過CT、超聲波等技術，定期對結構內部的裂紋進行排查。
一代材料，一代裝備，現在已經進入了復合材料的時代。復合材料層合板是一層一層貼在一起的，并且樹脂和纖維之間不可避免的存在孔隙，這簡直是裂紋產生的溫床。
由于復合材料這種特點，其疲勞問題更為復雜，試驗結果的分散性也更高，更遑論仿真手段了。
但是仿真仍然重要，它可以表征趨勢，反映變化。另外很多結構，由于工況的特殊性以及自身結構復雜性，疲勞試驗是很難開展的，即便能搞也需要極高的成本。
工程化的復合材料疲勞仿真方法
航空航天的科研院所專業是分的很細的，搞強度和結構設計可以是兩個部門，強度下面可以分出靜強度、動強度、振動、疲勞等等一堆科室，每個科室還有一堆人。
我是一直搞航空的，導致我以前總是認為其他行業也是如此。后來外面接觸多了才知道，很多行業和公司，是養不起專門的結構強度部門的。往往結構強度方向就是一個人，這個人他要會做結構設計，做各種仿真分析，還要懂試驗。哪天感覺來了，還要去陪客戶。
這種情況下，是很難面面俱到的。尤其疲勞的仿真還需要編寫自定義本構程序，如果研究生階段不是研究這個的，一時是難以搞出來的。
前段時間我審了一篇做疲勞的論文。整個論文兩個工作，一個試驗、一個仿真。試驗也沒有做具體結構的疲勞試驗，而是基礎材料的疲勞試驗。仿真竟然一段話帶過，說使用了專門的疲勞分析軟件，然后就直接給結果。
還是那句話，糊里糊涂用軟件，糊里糊涂看結果，這種工作沒有意義。
我們本期就以復合材料層合板接頭的疲勞為例，基于ABAQUS UMAT，給出工程化的疲勞仿真方法。之所以是工程化，一是做了簡化，二是便于實現。
展開 《材料工程》創刊65周年征文
在中國科學技術信息研究所最新發布的引證數據顯示，《材料工程》在材料綜合類期刊中綜合評價名列第2。
歡迎您為《材料工程》創刊65周年專刊投稿！
