壓電陶瓷
關注創建者：匿名 創建時間：2016-03-11
壓電陶瓷的視頻教程
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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壓電陶瓷的實例教程
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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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 壓電陶瓷簡介
壓電陶瓷是一種能夠將機械能和電能互相轉換的陶瓷材料。壓電陶瓷除具有壓電性外，還具有介電性、彈性等，已被廣泛應用于醫學成像、聲傳感器、聲換能器、超聲馬達等。壓電陶瓷利用其材料在機械應力的作用下，引起內部正負電荷中心相對位移而發生極化，導致材料兩端出現符號相反的束縛電荷即壓電效應。壓電陶瓷主要用于制造超聲換能器、水聲換能器、電聲換能器、陶瓷濾波器、陶瓷變壓器、陶瓷鑒頻器、高壓發生器、紅外探測器、聲表面波器件、電光器件、引燃、引 爆和壓電陀螺等。
壓電效應分析是一種結構－電場耦合分析。當給石英和陶瓷等壓電材料加電壓時，它們會產生位移，反之若使之振動，則會產生電壓。壓力傳感器就是壓電效應的一種典型的應用。
一、單元選擇
ANSYS中的壓電分析只能用下列單元類型之一：
1.PLANE13，KEYOPT（1）= 7，耦合場4節點四邊形實體單元；
2.SOLID5，KEYOPT（1）= 0或3，耦合場6節點六面體單元；
3.SOLID98，KEYOPT（1）=
0或3，耦合場10節點四面體單元；
4.SOLID226，KEYOPT（1）=
1001，耦合場20節點六面體單元；
5.SOLID227，KEYOPT（1）=
1001，耦合場10節點四面體單元；
KEYOPT選項激活壓電自由度：位移和電壓。對于SOLID5和SOLID98，KEYOPT(1)=3僅激活壓電選項。
二、材料屬性
在ANSYS中，壓電模型需要的材料特性有介電常數（或叫電容率）、壓電矩陣和彈性系數矩陣，一共三項。
1.介電常數（Relative Permittivity）
介電常數是反映材料的介電性質，或極化性質的，通常用ε來表示。不同用途的壓電陶瓷元器件對壓電陶瓷的介電常數要求不同。
展開 壓電耦合
近年來，能源的回收再利用受到了廣泛關注，也發展了不少與之相關的技術，而壓電道路便是其中的一種。
下文主要研究壓電材料的幾何形狀對壓電陶瓷發電能力的影響，使用 COMSOL 建立不同幾何形狀且適用于大批量生產的壓電陶瓷三維模型，為壓電陶瓷在道路上的鋪設做輔助研究。
·建模·
不同幾何形狀的壓電材料的力學相應性能不同，其中圓柱體形狀的壓電材料力學相應性能最好，而該文則主要研究不同幾何形狀壓電材料之間的發電性能的變化規律。研究的壓電材料的高度尺寸應選取為0.5 dm，上下底面積為6√3dm2，來保證不同幾何形狀的壓電陶瓷的體積相同。在 COMSOL中的分別建立圓柱體、圓環體，長方體，正八面體和正六面體的模型。
而對于壓電材料的選擇，由于Lead Zirconate Titanate（PZT-5H）壓電性較好，并且強度和使用壽命相較于其他材料更優秀，更適合用于承受公路內部的交變荷載，因此壓電材料全部選擇Lead Zirconate Titanate（PZT-5H）。
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也可集成壓電陶瓷微位移執行器，通過閉環控制實現納米級實時間隙調整，適用于精密儀器傳動。
4.材料優化：蝸桿采用20CrMnTi合金鋼滲碳淬火（表面硬度HRC58-62），蝸輪采用ZCuSn10P1錫青銅，降低長期運行時的磨損率。還可在嚙合表面噴涂10-15μm厚的二硫化鉬固體潤滑涂層，減少因摩擦導致的間隙擴大。
濾波元件：壓電陶瓷濾波器，聲表面波振蕩器，石英晶體濾波器。
PCB板：紙基PCB，玻璃布基PCB，合成纖維PCB，陶瓷基底PCB等。
電機風扇：直流電動機，交流電動機，交流發電機，直流發電機，交流風扇，直流風扇等。
電聲器件：揚聲器，傳聲器，受話器，送話器，送受話器組合件，耳筒，拾音器，蜂鳴片，蜂鳴器等。
2026深圳國際電子元器件展覽會4個月前
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PCB板：紙基PCB，玻璃布基PCB，合成纖維PCB，陶瓷基底PCB等。
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精密陶瓷MLCC片式多層陶瓷電容器、LTCC低溫共燒陶瓷、HTCC高溫共燒陶瓷、陶瓷基板、陶瓷覆銅板、精密結構陶瓷、壓電陶瓷、半導體陶瓷等產品的快速發展極大地促進了各大產業進步，數量及品質都有了突飛猛進的發展。市場本身蘊藏了極大的潛力。具有廣闊的發展空間。面對國際市場上越來越激烈的競爭，對企業來講要不斷吸收新的知識和技術，適當調整產品的產銷理念，應對當前發展的格局。
陶瓷壓電傳感元件及其內部支撐結構永久粘合在透聲、無鉛、丁腈橡膠中。 支撐結構由金屬合金制成，在幾乎所有惡劣環境中都具有極強的耐腐蝕性，并且在浸入海水中時具有非常好的防污性能。內部支撐在機械和電氣上與金屬外殼隔離，僅通過合成橡膠耦合。這提供了傳感元件的振動隔離。
接收靈敏度
每個HBK水聽器在單獨校準之前都經過廣泛的耐久和溫度穩定程序。
參展主題：
各類電子元器件、機電元件、無源元件及半導體產品：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、壓電陶瓷產品等；嵌入式系統、顯示產品、電源、電池、PCB、ED/EDA和檢測技術等
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具有質輕、靈便、超薄及廉價特性，比傳統的陶瓷壓電探頭響應頻帶寬，且不需要任何偶合劑。
B.超聲偶合技術采用橡膠襯墊式探頭，不使用液體偶合劑，即干偶合技術。根據材料內聲能的變化來檢測粘接接頭的質量，非常適合于快速探測缺陷。
C.平面漏波檢測平面漏波(LLW)是在粘接接頭層面上所激發的邊界敏感的平面波。在LLW無效區域的補償相位對膠層界面狀況十分敏感，缺膠與否及膠之特性都能顯著改變LLW響應。
各類電子元器件、機電元件、無源元件及半導體產品、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、開關、繼電器、線纜、濾波器、電感、電阻、電容器、變壓器、微波元件、壓電元件、磁性材料、壓電陶瓷產品等；顯示產品、電源、電池、芯片等。
它既是新一代散熱基板和電子器件封裝的理想材料，也可用于熱交換器、壓電陶瓷及薄膜、導熱填料等，應用前景廣闊。
根據 Maxmize Market Research 數據，2021 年全球陶瓷基板市場規模達到 65.9 億美元，預計 2029 年全球規模將達到109.6 億美元，年均增長率約 6.57%。
