壓電結構
關注創建者：C乘風破浪 創建時間：2022-03-09
壓電結構的實例教程
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 具有Ag / KNN異質結構的p-NG器件可分別產生超高的~240 V開路電壓和?23μA的短路電流，遠高于純KNN顆粒嵌入式p-NG器件（? 3.5 V和0.3μA）。
【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 然而，傳統的基于壓電PZT和AlN的壓力傳感器由于制造溫度高、固有的脆性難以實現彎曲測量，與柔性襯底不兼容。聚合物基壓電傳感器，如聚偏氟乙烯(PVDF)具有良好的靈活性，但它們壓電性能差所制得的器件靈敏度低。目前關于彎曲檢測的報道多為定性測量，僅判斷是否存在彎曲，但對彎曲角度的定量檢測較少。因此，在iHMI中實現具有自驅動能力的彎曲角度的定量測量仍然是一個很大的挑戰。
【成果簡介】
近日，西南交通大學楊維清教授團隊的青年教師鄧維禮和研究生楊濤，利用靜電紡絲技術構建了一種基于獨特豇豆結構CPZNs的柔性自供電壓電傳感器(PES)，定量測量了其彎曲角度，并成功演示了PES在iHMI手勢遠程控制中的應用。由于混合PVDF/ZnO的協同壓電效應和聚合物的柔韌性，該PES表現出優異的彎曲靈敏度（4.4mV deg-1），角度范圍從44°到122°，快速響應時間為76ms，并且具有良好的機械穩定性。此外，PES可在彎曲和按壓模式下工作，顯示0.33 V kPa-1的超高壓力靈敏度，響應時間為16 ms。當集成在iHMI中時，PES可以在不同的曲面上適應性地覆蓋，展示精確的彎曲角度記錄和快速識別，以實現智能化人機交互。在此基礎上，通過與人手同步動作的方式成功實現了機器人手的遠程控制應用。這種基于CPZNs的自供電PES在結構和基本機制上是獨特的，并且在iHMI中具有巨大的潛在應用。相關研究成果以“Cowpea-structured PVDF/ZnO Nanofibers Based Flexible Self-powered Piezoelectric Bending Motion Sensor Towards Remote Control of Gestures”發表于Nano Energy期刊上，鄧維禮和楊濤為共同一作。
展開 柔性微型機器人結構與工作原理示意圖。圖A：柔性微型機器人基本結構；圖B：靜電足墊結構；圖C：摩擦力控制原理。
近日，清華大學深圳國際研究生院先進制造學部張旻、王曉浩團隊和美國加州大學伯克利分校林立偉團隊合作，在前期柔性機器人壓電諧振高效驅動結構的研究基礎上，提出了利用靜電調控摩擦力實現柔性微型機器人高速轉向控制的方法。機器人全長30mm，由柔性單晶壓電結構驅動，通過在機器人足部添加靜電足墊和機器人4自由度模型設計優化，進行驅動與靜電吸附協同控制，實現了482o/s的轉向速度和28身長/s2的轉向加速度，達到了已報道微型機器人的最高轉向速度，與蟑螂等陸地節肢動物相當。此外，機器人可在5.6秒內通過總長1.2m的迷宮路徑。
在此基礎上，為了擺脫電纜的束縛，通過優化負載結構，機器人進一步實現了無纜獨立運動。通過攜帶的控制電路、電池、傳感器等，實現了自動尋跡和軌跡控制。
機器人執行不同任務演示圖。圖A：拖纜機器人在5.6秒內通過1.2m長的迷宮軌道；圖B：拖纜機器人攜帶氣體傳感器記錄VOC濃度分布；圖C：無纜機器人行走“S”形軌跡。
相關成果近日以“基于靜電足墊的高機動性昆蟲尺寸柔性機器人軌跡控制”（Electrostatic footpads enable agile insect-scale soft robots with trajectory control）為題發表在《科學·機器人》（Science Robotics）上，這是該團隊第二次在《科學·機器人》上發表延續性工作。
展開 壓電納米發電機由于其高效的機電轉換效率，重量輕，響應快而成為研究熱點。壓電陶瓷及單晶具有超高的壓電效應，但由于其本身的剛性和脆性所以并不能滿足柔性和可穿戴電子設備的設計要求。雖然有很多研究將壓電陶瓷粉體和聚合物進行混合可以獲得超柔性，但是非連續相的壓電結構設計導致低的能量收集效率。通過沉積壓電薄膜再轉移到柔性基底上雖然能夠保持很好的能量收集和保持一定的柔性，但是其工藝復雜、成本高不利于商業化大規模生產。因此設計和開發出一種超柔性且能高效地進行能量收集并可實現大規模生產的壓電納米發電材料顯得尤為重要和具有挑戰性。
本研究提出利用具有層次結構的電子級玻璃纖維布材料體系為基底，通過浸漬的方法在其上沉積具有層次結構的納米壓電發電材料。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。
展開 
壓電結構的相關專題、標簽、搜索
壓電結構的最新內容
——Thomas Kleckers</p><p><br></p><p><img src="https://img.jishulink.com/202604/imgs/e62c204575774158859766c123775a5c" alt="圖片"></p><p><em>壓電傳感器結構：石英晶體將應力轉化為電荷，產生的電荷與施加的應力呈正比</em></p><p><br></p><p><br></
高效的多物理場耦合分析
熱-力耦合：精準分析溫度場與應力場的相互影響
流-固耦合：模擬流體與結構的相互作用
電-熱-力耦合：適用于電子設備、電池等領域的多場分析
壓電-結構耦合：用于智能材料與傳感器的仿真
3.
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。圖5為基體板自由端某一節點位移時域曲線。
最后，有相關需求歡迎通過公眾號“320科技工作室”與我們聯絡。
對于壓電復合懸臂梁結構，驅動力矩的大小僅由壓電應變常數d33決定(如果改變壓電復合板結構，壓電應變常數d31和d33將同時作用)。選取的壓電纖維復合材料MFC的壓電應變常數滿足，因此以MFC的壓電纖維方向為參考，沿長方向粘貼時， MFC梁的驅動彎矩將增加2.5倍以上。
方程中沒有包含坐標變量x和y，因此在梁的任意位置上驅動彎矩是相同的(實際上梁結構已經簡化為一維結構)。
這種方法也不適用于耦合壓電域，結構和聲學的模型; 在這些情況下，必須采用全耦合的方法。
在所有情況下，在“聲學模塊用戶指南”的“建模”部分中會詳細討論各種求解器策略和其他有用的建議，歡迎閱讀。
文章來源：COMSOL
更多亮點
在模型管理器中對報告和 CAD 裝配體進行版本控制
對導入的 ECAD 文件進行自動簡化，以加快網格劃分和求解速度
考慮銑削過程等加工約束的拓撲優化
多維插值和逆向不確定性量化
磁流體動力學模擬以及液態金屬材料庫
包括壓電、結構、聲學和流體流動的流量計仿真分析
模擬由超聲波驅動流體流動的聲流現象
分析燃料電池的性能
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。
任茜
北京安懷信科技股份有限公司產品調研經理，畢業于韓國建國大學機械研究院CAD-CAE研究室，主要研究方向是壓電復合結構的熱-電-力耦合分析及結構的優化設計。
實際工程項目中負責過半導體器件的熱仿真分析，冰箱整機、風道的流體仿真分析及新型號試制的相關工藝問題等等，擁有產品性能分析及設計中的DFX基礎理論知識與實踐經驗。
應用：獨石電容器瓷片、厚膜和薄膜電路用Al2O3基片、壓電陶瓷膜片、結構陶瓷薄片、電容器、熱敏電阻、鐵氧體和壓電陶瓷坯體，混合集成電路基片等。
應用：獨石電容器瓷片、厚膜和薄膜電路用Al2O3基片、壓電陶瓷膜片、結構陶瓷薄片、電容器、熱敏電阻、鐵氧體和壓電陶瓷坯體，混合集成電路基片等。
