壓電材料
關注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時間：2016-03-11
壓電材料的視頻教程
ANSYS & Abaqus~壓電陶瓷材料和仿真計算
課程內(nèi)容涉及到壓電材料相關內(nèi)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(shù)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(tài)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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ansys workbench壓電仿真-夾心式換能器入門課程
本課程詳細的介紹了壓電材料在ansys workbench平臺上的使用，視頻同時介紹了壓電驅(qū)動入門知識、壓電包安裝等內(nèi)容。 視頻包括：以一階縱振夾心式換能器為例介紹了SolidWorks壓電單元的建模、workbench壓電材料設置、網(wǎng)格劃分、壓電體設置、模態(tài)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。
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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(lián)電阻單元在ANSYS經(jīng)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(wǎng)格劃分、模態(tài)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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壓電材料的實例教程
壓電材料是受到壓力作用時會在相對表兩端面間產(chǎn)生出現(xiàn)電壓的晶體材料。 壓電材料存在于現(xiàn)有各種傳感器當中，在換能器，傳感器，驅(qū)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(fā)現(xiàn)，把重物放在石英晶體上，晶體某些表面會產(chǎn)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(xiàn)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(chǎn)生。
壓電效應的產(chǎn)生是晶胞中正負離子在外界條件作用下出現(xiàn)的相對位移使正負電荷中心不再重合，導致晶體發(fā)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(shù)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(zhàn)。
為解決上述上述挑戰(zhàn)，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(xiàn)電壓在任意方向可被放大，縮小，及反向的特性。
展開 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(lián)，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(fā)生改變；而逆壓電效應指對材料施加外部電場后，材料會發(fā)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(lián)。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(jīng)過極化過程才能表現(xiàn)出壓電特性。讓我們來一起探究微觀層面上究竟發(fā)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(chǎn)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(fā)生變化，進而改變晶體的極化強度，產(chǎn)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(fā)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(guī)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(xiàn)出的壓電效應可以忽略。
展開 文章中，崔華晨（論文第一作者）所在的鄭小雨（論文通訊作者）團隊首次將機械超材料賦予智能化，將其所有力學特性傳遞到電壓輸出，拓展出新的機電耦合超材料。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41563-018-0268-1
通訊作者鄭小雨教授，美國弗吉尼亞理工大學先進制造和超材料研究中心主任，主要從事開發(fā)運用光學基礎和力學原理得到的高精度增材制造技術、材料制備、超材料的設計開發(fā)、微納米力學及多功能結構功能一體化設計研究，曾獲得了榮獲美國空軍基礎科學部年輕教授獎和海軍研究部頒發(fā)的年輕教授獎等多項獎。
團隊開發(fā)出一種3D打印壓電材料的新方法。這些壓電材料經(jīng)過專門設計，可將任意方向上的運動、沖擊與壓力轉化為電能。什么是壓電效應？下面這幅圖，也許可以給我們一個直觀的印象：在外力作用下，物體產(chǎn)生形變時，電壓產(chǎn)生了。
可是，壓電材料只存在于少數(shù)定義好的形狀中，并且由易碎的晶體或者陶瓷制成，此類材料需要凈室才能制造。昂貴的工藝以及材料固有的脆性，限制了材料的潛能。為了解決上述問題，該團隊開發(fā)出一種3D打印壓電材料的新方法。這些壓電材料經(jīng)過專門設計，可將任意方向上的運動、沖擊與壓力轉化為電能。
論文主要作者：左起Ryan Hensleigh, Xiaoyu (Rayne) Zheng鄭小雨（通訊作者），Huachen Cui崔華晨 （第一作者），Desheng Yao姚德勝
鄭小雨團隊開發(fā)出的模型，可用于操控并設計任意的壓電常數(shù)，通過一系列可3D打印的拓撲結構生成一種材料，這種材料可以響應任意方向輸入的力與振動，產(chǎn)生電荷運動。傳統(tǒng)壓電材料中的電荷運動是由其內(nèi)在的晶體規(guī)定的。
展開 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(chǎn)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(chǎn)生應變，可以做驅(qū)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(zhì)的鈦酸鉛（PbTiO3）和反強電介質(zhì)的鋯酸鉛（PbZrO3）的固溶體，成分是〔Pb（Zr-Ti）O3〕。居里點根據(jù)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(wěn)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(shù)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(shù)等。
壓電材料制作流程：
壓電效應的產(chǎn)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(chuàng)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(jù)自己獲得的哪種形式的參數(shù)決定，兩者都差不多。
展開 近日，武漢理工大學張聯(lián)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(fā)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(huán)保意識和健康意識的增強，無鉛壓電材料得到了快速發(fā)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(fā)現(xiàn)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(qū)域。通過模擬分析表明，小角度的極化矢量區(qū)域比大角度的極化矢量區(qū)域更容易在電場下發(fā)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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壓電材料的相關專題、標簽、搜索
壓電材料的最新內(nèi)容
它核心依靠壓電材料實現(xiàn) “力→電” 轉換，結構簡單卻能覆蓋超大測量范圍，在工業(yè)測量、精密裝配等場景中大放異彩。今天就由產(chǎn)品經(jīng)理 Thomas Kleckers，帶我們一次性講清壓電力傳感器的工作原理、核心特性與實用場景。
Ansys | 雙折射是什么？1個月前
壓電效應是材料在承受機械應力時產(chǎn)生電荷的物理現(xiàn)象，而彈光效應則是施加的載荷改變了材料的電荷分布。但不同之處在于，前者改變的是電氣屬性，后者則是材料在原子重新分布后發(fā)生光學屬性變化。
由于這種雙折射在施加的機械載荷下發(fā)生，因此可以通過該現(xiàn)象實現(xiàn)材料應力分布的可視化。這是一種有效的方法，可用于測試光學組件在集成到大型系統(tǒng)（如增強現(xiàn)實/虛擬現(xiàn)實頭顯設備）時所受的應力與應變。
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(chǎn)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(wěn)定等優(yōu)點在航空航天、精密測量、信息通訊和土木工程等領域發(fā)揮著重要作用。
壓電加速度計的核心是壓電材料的切片，通常是一種人工極化的鐵電陶瓷，具有獨特的壓電效應。當它在張力、壓縮或剪切方面受到機械應力時，它會在其極面上產(chǎn)生與施加的力成正比的電荷。
加速度計設計
在實際的加速度計設計中，壓電元件的布置能夠使得當組件被振動時，質(zhì)量單元向壓電元件施加與所受振動加速度成正比的力。這可以從公式中看出：力=質(zhì)量x加速度。
3.2壓電纖維復合材料的本構方程
壓電纖維復合材料是由壓電纖維和樹脂基體組成，在機械力的作用下會產(chǎn)生一定的變形，這是壓電材料力學行為的表現(xiàn)。如果變形符合小變形條件，則應力應變關系遵循彈性材料本構。
參展主題：
各類電子元器件、機電元件、無源元件及半導體產(chǎn)品：芯片、二極管、晶體、存儲器、處理器、集成電路、光電與顯示器件、連接器、射頻器件、微波元件、各種微型開關、繼電器、線纜、濾波器、電感、電阻、電容器、變壓器、壓電元件、磁性材料、壓電陶瓷產(chǎn)品等；嵌入式系統(tǒng)、顯示產(chǎn)品、電源、電池、PCB、ED/EDA和檢測技術等
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這種使用柔性壓電材料構建的微飛行器可以達到更高的撲翼頻率，從而產(chǎn)生更高的升力，此外柔性的驅(qū)動器使得飛行器面對沖擊等問題時受到的損傷更小。
下面基于壓電與非壓電材料的劃分，就當下普遍認可及新提出的幾種可恢復應力發(fā)光機理進行介紹。
（1）壓電材料應力發(fā)光機理
當壓電材料受到壓力作用時會在內(nèi)部產(chǎn)生一個電場，這是由于壓電材料非中心對稱結構所產(chǎn)生的特性。研究者普遍認為材料具有壓電特性是實現(xiàn)應力發(fā)光的重要因素，因此在設計應力發(fā)光材料時常常是基于壓電材料。
4、 壓電智能復合材料
該復合材料具有壓電效應。當在材料上施加外力時，材料產(chǎn)生電壓的現(xiàn)象稱為正壓電效應；而對材料表面施加電場產(chǎn)生應變或應力稱為反壓電效應。即其具有將電能和機械能變換的特性，故可應用于智能結構中，特別是自適應、減振與噪聲控制等方面。
