壓電復合材料
關注創建者：匿名 創建時間：2016-03-11
壓電復合材料的視頻教程
ANSYS & Abaqus~壓電陶瓷材料和仿真計算
課程內容涉及到壓電材料相關內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)； 模態分析 & 諧響應分析 ； 壓電材料的逆壓電效應和正壓電效應。
￥88 1小時55分鐘 1749播放
查看
壓電復合材料的實例教程
壓電效應的內在的原理是擁有非對稱中心的晶體材料在機械力的作用下發生變形而引起正負電荷的相對移動而導致總的電偶極矩改變，這就是正的壓電效應。此時，晶體材料表面帶有不同極性的電荷，其電荷密度與機械力成一定的比例關系。將壓電材料粘貼于板殼等結構表面或置入結構內部，通過測量壓電材料隨著結構的機械變形而產生的電荷量，可以推導出結構的變形狀態。這種能夠精確反應結構變形的能力被研發成壓電傳感器而廣泛應用。反而，逆壓電效應是給壓電材料施加電場后，材料內部正負電荷中心也會發生相對移動，使得壓電材料產生相應的機械變形，其變形程度也與外加電場成一定比例關系。如果給粘貼于板殼結構上的壓電材料施加一定的電壓，可以達到預先設計的規律變形和動作，比如進行振動主動控制研究，從而被制備成壓電驅動器。優良的性能使得壓電纖維復合材料(MFC)集傳感器和驅動器于一身。
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生一定的變形，這是壓電材料力學行為的表現。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。此外，壓電纖維復合材料的特殊的行為主要體現在兩個方面:當受到機械力作用時，產生應變和應力，壓電效應使材料不同表面的正負電荷積累而產生電位移;當施加一定強度的電場時，在反壓電效應的作用下，材料的機械變形會產生電應變。基于壓電纖維復合材料的力學和電學特性，建立了壓電纖維復合材料的本構方程。
壓電纖維復合材料的應變決定于外加的機械力、電場強度及材料的本質特性(剛度、壓電性)。
(3-1)
式中為彈性柔度系數，單位為，由彈性材料的對稱性可得：。其中下表i表示壓電纖維復合材料的應變方向，下標j表示所受應力的方向，上標E表示外加電場恒定時彈性柔度系數。為壓電應變常數，單位為C/Pa。其中下標i表示外加電場的方向，下標j表示電場作用下產生的應變的方向。
展開 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 【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。
展開 近日，北京工業大學材料學院、新型功能材料教育部重點實驗室侯育冬教授團隊，成功開發出一種具有優異發電特性和長時間服役穩定性的懸臂梁式柔性壓電能量收集器。相關研究成果發表于能源領域著名學術刊物Nano Energy（IF=13.14）上。
文章鏈接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285518305676
隨著各類小型電子設備以及物聯網的快速發展，迫切需要開發高性能、輕量化，可持續性強的能量供應器件。在目前各種形式的能量收集器中，柔性壓電能量收集器依托優異的力學性能，良好的環境適應性以及突出的能量收集性能有望集成于個人電子設備以及無線傳感器中，持續進行能量供應。如何基于填料設計與結構優化在提升柔性壓電能量收集器發電功率的同時，保持長時間的工作穩定性是本方向的研究難點。
最近，侯育冬教授團隊率先開發出一種具有優異服役特性的極性納米棒填料織構化柔性壓電復合材料。在能量收集材料設計理論指導下，以熔鹽化學合成的具有單軸強極性的BaTi2O5納米棒為填料，聚偏氟乙烯PVDF為基體，通過熱壓取向工藝將BaTi2O5納米棒定向排列于聚合物基體中，構建出具有高換能系數的織構化柔性BaTi2O5/PVDF壓電復合材料。
研究發現，以該材料制作的懸臂梁式柔性壓電能量收集器，在嚴苛的振動條件下（10g加速度）表現出高能量密度27.4 μW/cm3。更為重要的是，即使經過長時間的振動周期循環（~330,000），柔性壓電能量收集器仍能保持其發電特性而不劣化。
展開 在所制備的壓電纖維布復合材料中，每根纖維表面都包裹了一層納米級厚度的PZT材料，每根纖維之間的PZT之間互相連接，形成了一種類似于玻璃纖維布的多層次結構。電子級玻璃纖維布本身所具有的宏觀超柔性和微觀剛性給予了這種壓電纖維布具有高效的能量傳遞、轉換以及超柔性。而且這種壓電纖維布可以實現插指電極掩膜設計和上下柔性電極貼合封裝設計。比如，一塊3.5cm×1.5cm大小的納米壓電纖維布利用插指電極在標準測試下能夠產生～60 V和～500 nA的輸出。一個8cm×8cm大小的納米壓電纖維布利用超柔性的導電聚乙烯碳膜作為上下電極在模擬人體運動的情況下能夠輕易點亮20個商用綠色LED燈。
同時，利用玻璃纖維布的微觀剛性，首次發現壓電納米發電機的形變與信號輸出之間呈線性關系，可望在柔性傳感領域獲得重要應用。另外在這種多層級結構的玻璃纖維布基底上沉積寬光譜吸收高壓電活性壓電材料還有望能夠同時收集光能、熱能和機械能。這項工作為制造高性能，超柔性，低成本的納米發電機及柔性傳感器提供了新的視角，可望在柔性可穿戴設備領域獲得應用。
論文共同第一作者為上海交通大學的碩士研究生賀思博和英國華威大學的董文博士后研究員，郭益平教授為論文的通訊作者，上海交通大學為第一單位完成。郭益平教授所帶領的智能與能源復合材料研究小組長期致力于鐵電/壓電功能復合材料，能源及催化材料的基礎和應用研究，研究工作得到了國家自然科學基金重點項目和面上項目（11474199和51332009）的資助。
來源：材料科學與工程公眾號、上海交大
展開 
壓電復合材料的相關專題、標簽、搜索
壓電復合材料的最新內容
突破長度極限，開啟制造新紀元
在高端復合材料領域，長度一直是衡量制造能力的核心標尺。傳統CF/PEEK單向帶受限于工藝瓶頸，往往只能提供數十米至數百米的斷續產品，接頭頻繁、性能波動、效率低下成為困擾行業的頑疾。
如今，江蘇君華特種高分子材料股份有限公司自豪地推出連續長度1000米CF/PEEK預浸帶（LU-CF/PEEK）—這不是簡單的數字疊加，而是熱塑性預浸料制造技術的革命性跨越。
復合材料多尺度力學仿真中，代表性體積單元（RVE）的幾何建模與網格劃分是前處理階段的主要工作之一。受周期性邊界條件的約束，纖維在模型邊界處的切割精度直接影響后續網格匹配。當纖維端面與基體表面未能完全共面時，往往產生微小幾何階躍，導致節點投影誤差。這些問題在手動腳本處理時出錯的概率較高。
針對上述情況，基于Abaqus環境開發了Periodic RVE Generator插件，對纖維生成
<div contenteditable="false" width="100%" class="ql-align-justify">
<p style="-webkit-tap-highlight-color: rgba(0, 0, 0, 0); margin: 8px 0px; outline: 0px; max-width: 100%; clear: both; min-height:
一套深度集成、功能豐富的 Matlab 近場動力學（Peridynamics）原代碼合集。代碼不僅復現了PD領域的經典文獻算例（彈性問題驗證），更進一步拓展到了熱力學、復合材料及跨尺度耦合算法。適合作為研究生的科研底座、畢業設計參考或PD算法的深度進階學習資料。
基礎理論實現：
鍵基 PD (BBPD)：最經典的鍵基模型，適用于脆性材料破壞分析。
常規態基
會議簡介
2026年第九屆機械工程與應用復合材料國際會議(MEACM 2026)將于2026年8月21日-23日在伊斯坦布爾，土耳其召開。本次會議將匯聚全球權威的機械工程和復合材料領域的專家學者，旨在解決工程實踐中的復雜問題并展示最新科研成果。
MEACM自2017年以來，已先后在香港、哈爾濱、北京、三亞等多個國家地區舉行，并在過去8年中取得了成功，成為了真正的國際性的活動。會議通過投稿參與報告
會議簡介
2026年第九屆機械工程與應用復合材料國際會議(MEACM 2026)將于2026年8月21日-23日在伊斯坦布爾，土耳其召開。本次會議將匯聚全球權威的機械工程和復合材料領域的專家學者，旨在解決工程實踐中的復雜問題并展示最新科研成果。
MEACM自2017年以來，已先后在香港、哈爾濱、北京、三亞等多個國家地區舉行，并在過去8年中取得了成功
Abaqus纖維復合材料螺栓連接件拉伸模型
顯示動力學
內插0厚度cohesive以模擬層間分層
復合材料采用VUMAT子程序，內附有cae，inp，puck子程序，操作視頻，ODB等文件
可贈送收集的纖維復合材料相關學習資料，特別適合初學者！
Abaqus纖維復合材料螺栓連接件拉伸模型
顯示動力學
復合材料采用VUMAT子程序，內附有cae，inp，puck子程序，操作視頻，ODB等文件
可贈送收集的纖維復合材料相關學習資料，特別適合初學者！
ABAQUS 纖維復合材料層合板鉆孔，采用puck失效準則，內附CAE, inp, ODB, VUMAT子程序
可贈送快速建模插件及abaqus纖維復合材料學習資料，特別適合初學者！
Abaqus復合材料鉚接有限元仿真分析，
上層碳纖維復合材料，內插0厚度cohesive以模擬層間分層，下層AL
自沖鉚接三維模型，動態顯示分析，可提供cae，inp、VUMAT，odb文件，含變形云圖、應力云圖，結果清晰，適合初學者學習參考！
