壓電的案例
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 基于ABAQUS的交流電驅動下壓電復合結構有限元分析
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?；w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 ANSYS APDL中的壓電分析
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 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 
壓電驅動風機葉片的模擬 ￥20
壓電性——指的是發生在壓電材料結構和電場之間的耦合屬性。對壓電材料施加電壓可以使其產生位移，同時振動壓電材料可以產生電壓。
壓電耦合是一些單晶體的自然特性，如：石英、鐵電陶瓷（PZT）、壓電聚合物（PVDF）。直接的壓電耦合可以把機械能轉換為電能，而反壓電耦合則是將電能轉換為機械能。
在壓電分析中，結構場和準靜電場通過壓電常數耦合。
問題描述
一壓電驅動的風機葉片結構如下，分析其模態及在115伏60Hz下的響應。
壓電驅動風機葉片真實模型
壓電驅動風機葉片幾何模型
模態分析
設置各個部件的材料屬性，尤其壓電材料。在Engineering Data中，創建新的材料命名為“Piezo”，密度輸入為7500kg m^-3，以表格的形式輸入壓電材料的各向異性彈性模量。
對兩塊壓電晶片零件賦予Piezo材料屬性，同時在Piezo2 body頂部上建議一個y軸反轉的局部坐標系作為壓電極化方向。
設置面尺寸及體尺寸，網格劃分如下：
在分析設置明細中Options的Max Modes to Find輸入3，其余保持默認；FR4板上的兩圓孔面施加固定約束。
插入Piezoelectric Body對兩壓電晶片零件添加壓電屬性如下：
插入Voltage對下面的壓電晶片底部添加0電壓值；同時對兩壓電晶片零件的接觸面添加Voltage Coupling。
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
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?？?。該期?？陌似C述文章從基礎材料特性，相關效應的物理過程，器件設計和應用，及理論計算和分析等角度全方位地回顧了壓電電子學和壓電光電子學的最新學科進展，并對未來的研究趨勢做了深入討論。
展開 ：超聲激活聚四氟乙烯壓電催化活性
特別是在聲動力學過程中，憑借高組織穿透性和定向引導特點，壓電催化（piezoelectric catalysis）可原位高效產生ROS。然而，目前報道的壓電ROS催化劑壓電系數較低（3-105 pC/N），或對環境安全有害（如PZT中的Pb）、化學穩定性差，限制了壓電催化的發展。因此，開發新型壓電材料是亟待解決的挑戰。近期，高冠道教授課題組等人開發了可誘導傳統惰性的聚四氟乙烯（PTFE）顆粒形成壓電駐極體（electret）方法。研究顯示，對PTFE駐極體進行連續超聲輻照可產生ROS，并且其產生速率顯著高于已見報道的壓電催化劑。該項研究顛覆了人們對惰性PTFE的認知，也開辟了惰性PTFE在環境污染治理、殺菌消毒領域的新應用。
PTFE的活化過程及機制：PTFE化學性質極其穩定，被廣泛應用于嚴苛條件下的工業裝備、實驗設備、醫療器械及家用廚房用品等。同時PTFE作為一種典型的非極性聚合物駐極體材料，能夠長期存儲電荷并具有巨大的壓電系數。研究人員在一次實驗中偶然發現，PTFE在超聲作用下具有良好的壓電催化性能。因此，研究人員對PTFE顆粒以及薄膜進行超聲輻照，再利用壓電力顯微鏡（PFM）來檢測被活化的PTFE的壓電性能。PFM表征顯示，被超聲輻照的PTFE可誘導產生強大的局部壓電性能。這是因為在超聲激活PTFE過程中，超聲波能夠促使汽泡的形成和崩塌，而瞬間崩塌的超聲空化氣泡又能產生極端高壓（約100 Mpa）和電場（約100 kV/m）。這些瞬態、高頻的超高超聲壓力可以使PTFE產生永久的結構缺陷（結構電荷）；另一方面，并發產生的電場能夠極化PTFE的缺陷進而產生極化電荷并被俘獲在PTFE結構缺陷里，最終形成壓電駐極體（圖2）。
展開 壓電織物：將機械能轉化為電能，為小型電子設備供電！
這項技術也是基于壓電效應（piezoelectric effect），它會通過壓電材料的形變，例如受到拉伸，產生電力。在這項研究中，研究人員通過將壓電紗線與導電紗線（用于傳輸生成的電流）編織到一起做成一種織物。
Lund 表示：“這種織物是柔軟的，并且在潮濕時效率更高。為了論證研究成果，我們采用了單肩包肩帶上的一片織物。包越重，含這種織物越多，那么我們能獲取到的能量也越多。當包內裝有3公斤書籍時，我們可以產生4毫瓦的連續輸出，這足以間歇地為一盞LED燈供電。通過這種織物做成一個完整的包，我們能夠獲取到足夠的能量來傳送無線電信號。”
（圖片來源：參考資料【2】）
壓電紗線由24根纖維組成，每一根纖維都像一縷頭發那樣細。當纖維變得足夠潮濕時，會在液體中變得封閉，且紗線會變得更加高效，因為這樣改善了纖維之間的電氣接觸。這項技術是基于之前研究人員開發壓電纖維的研究，現在他們進一步增加了尺寸。
（圖片來源：參考資料【2】）
Lund 表示：“壓電纖維由圍繞著導電內核的壓電外殼組成。這種壓電紗線與商用的導電紗線結合組成一個串聯電路?！痹谶M行生產時，纖維暴露于強電場中，引起聚合物中的正負電荷以一種有序地方式分離。當織物被拉伸或者暴露于壓力下時，纖維的形變將引起電荷分布的重組，從而產生電壓。導電紗線形成電流可以在其中流動的閉合電路。
（圖片來源：參考資料【2】）
研究人員之前對于壓電織物的研究主要集中于傳感器以及它們通過壓力敏感性產生電信號的能力。
價值
Lund 表示：“由壓電紗線編織成的織物，使得這項技術更加容易理解，而且它可用于日常生活中?？椢镏幸灿锌赡芴砑痈嗟牟牧?，或者使用它作為多層產品中的一層。這需要一些修改，但是是可行的。”
研究人員認為，這項技術從根本上說已經可用于大規模量產。
展開 中科院北京納米能源所王中林團隊：超短溝道的壓電電子學晶體管
壓電電子學晶體管是一種利用完全不同于上述工作原理的新型器件。這種器件利用金屬-壓電半導體界面處產生的壓電極化電荷(即壓電電勢)作為柵極電壓來調控晶體管中載流子的輸運特性，并且已經在具有纖鋅礦結構的壓電半導體材料中得到了廣泛證實。這種二端結構的晶體管不僅創新地利用界面調控替代了傳統的外部溝道調控，并且有可能打破溝道寬度的限制。
【成果簡介】
近日，在中科院北京納米能源與系統研究所所長，佐治亞理工學院校董教授王中林院士和西安電子科技大學秦勇教授的指導下，王龍飛博士、劉書海和殷鑫博士等研究成員制備了一種新型的、溝道只有2 nm的超薄氧化鋅壓電電子學晶體管，首次將壓電電子學效應引入到二維超薄非層狀壓電半導體材料中。該工作系統地研究了二維超薄氧化鋅垂直方向上的壓電特性，利用金屬-半導體界面處產生的壓電極化電荷（即垂直方向上的壓電電勢）作為柵極電壓有效地調控了該器件的載流子輸運特性，并且通過將兩個超薄壓電電子學晶體管串聯實現了簡易的壓力調控的邏輯電路。這項研究證實了壓電極化電荷在超短溝道中“門控”效應的有效性，該器件不需要外部柵電極或任何其它在納米級長度下具有挑戰性的圖案化工藝設計。這項研究成果開辟了壓電電子學效應在二維非層狀壓電半導體材料的研究，并且在人機界面、能源收集和納米機電系統等領域具有潛在的應用前景。相關研究成果以 “Ultrathin Piezotronic Transistors with 2 nm Channel Lengths”發表在ACS Nano上。
展開 comsol中壓電陶瓷仿真學習-邊界設置篇
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 壓電傳感器和應變力傳感器，如何做出正確的選擇?
壓電晶體， 3. 電極</em></p><p><br></p><p>壓電傳感器依賴于晶體和外殼之間的良好接觸。這一方面需要對晶體和與晶體接觸的部件表面進行精確加工，另一方面需要使用預應力傳感器。實際上，至少10%的預應力用于確?？煽拷佑|——較高的預應力可提高計量性能。當然，預應力不得使預應力元件或傳感器過載。</p><p><br></p><p><br></p><p><strong>什么決定了壓電傳感器的輸出信號？</strong></p><p>對壓電晶體施加力，產生電荷Q形式的輸出信號，用pC（10-12c）測量。可使用以下公式計算電荷：</p><p>Q = qxy*F</p><p>其中F是力，qxy是壓電常數。后者取決于所使用的晶體類型和所加載的晶體方向。最常用的材料是石英，靈敏度為4.3pc/N，溫度限制為200°C。HBM 使用磷酸鎵。其靈敏度約為石英的兩倍（約為8 pC/N）。其溫度限值為850°C，但是，由于熱應力的限制，力傳感器的溫度極限為300°C。</p><p><br></p><p><br></p><p><strong>壓電和應變力傳感器有各自的優點，如何進行選擇?
展開 
壓電加速度計的歷史
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=質量x加速度。
對低于質量彈簧系統諧振頻率以下的頻率，質量的加速度將與基礎的加速度相同，因此輸出信號的幅度將與基座承受的加速度成正比。
通常使用兩種配置：
質量對壓電元件施加壓縮力的壓縮類型和質量對壓電元件上施加剪切力的剪切類型。
壓電式加速度計類型
大多數制造商都提供各種各樣的加速度計，如果不了解，就無法輕松做出選擇。
但是一小組“通用”類型可以滿足大多數需求。這些連接器有頂部或側面安裝的連接器，靈敏度范圍為1至10mV或pC/ms-2。HBK Uni-Gain?類型的靈敏度已標準化為方便的“圓整數字”，例如1或10pc/ms-2，以簡化測量系統的校準。
CCLD/Deltatron?或者IPE加速度計
CCLD（恒流源線驅動）加速度計或IEPE（集成電子Piezo Electric）加速度計是帶有集成前置放大器的壓電式加速度計，可在電源線上以電壓調制的形式提供輸出信號。
HBK的IEPE加速度計具有高輸出靈敏度、高信噪比和寬帶寬，因此適用于通用和高頻振動測量。
這些加速度計是高性能儀器，其輸出靈敏度高于標準壓電加速度計（不帶積分放大器情形）。它們采用氣密密封以防止環境污染，對射頻和電磁輻射的敏感性較低，由于采用了外部恒流電源，它們的輸出阻抗較低。
展開 ABAQUS單層壓電片與多層壓電片的數值分析
abaqus壓電分析的簡單例子
單層壓電片與多層壓電片的數值分析.pdf
壓電片結構.rar
ABAQUS單層壓電片與多層壓電片的數值分析
abaqus壓電分析的簡單例子
單層壓電片與多層壓電片的數值分析.pdf
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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。
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